DE102019208571B3

DE102019208571B3 - Batterie und Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie

Info

Publication number: DE102019208571B3
Application number: DE102019208571.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Opfer; Katharina Koch; Jens Zander; Fabian Reder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2039-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (2) mit einer Anzahl an Batteriezellen (4), wobei im Bereich jeder der Batteriezellen (4) jeweils eine erste Einrichtung (6) zum Erfassen eines thermischen Durchgehens der jeweils zugeordneten Batteriezelle (4) angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Hochvoltsystem (28) mit einer solchen Batterie (2) sowie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Anzahl an Batteriezellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Hochvoltsystem mit einer solchen Batterie sowie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug.
Eine insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie (Li-lonen-Batterie) ausgebildete Batterie weist typischerweise mehrere Batteriezellen auf, welche mittels Zellverbindern elektrisch in Serie oder parallel zueinander geschaltet sind. Insbesondere sind die Batteriezellen dabei für eine bauraumsparende Ausgestaltung nebeneinander angeordnet und zu sogenannten (Zell-)Modulen zusammengefasst.
Insbesondere bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen weist eine solche (Traktions-)Batterie eine vergleichsweise hohe Energiedichte auf, so dass eine entsprechend hohe Reichweite für einen Nutzer des Kraftfahrzeugs realisiert ist. Jedoch kann bei solch hohen Energiedichten der Batterie bzw. der Batteriezellen, beispielsweise aufgrund eines internen Kurzschlusses oder eines Überladens der Batteriezelle eine sich selbst verstärkende Kettenreaktion stattfinden, welche als thermisches Durchgehen (engl.: thermal runaway) bezeichnet wird. Beim thermischen Durchgehen wird zum einen eine entsprechend hohe Wärmeenergie freigesetzt, zum anderen entsteht hierbei in der Energiespeicherzelle zusätzlich ein Gas, insbesondere aufgrund einer Zersetzung des Elektrolyts, wodurch in der Batteriezelle ein hoher Innendruck entsteht.
Aufgrund dessen kann sich die Batteriezelle verformen, brennen oder sogar explodieren, sodass eine benachbarte Batteriezelle beschädigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich wird aufgrund der Wärmeübertragung an die benachbarte Batteriezelle, beispielsweise auch mittels der Zellverbinder, in dieser Batteriezelle ebenfalls ein thermisches Durchgehen ausgelöst (Propagation).
In der DE 20 2017 103 777 U1 ist eine Überwachungsschaltung für eine Batterie bekannt, bei welcher mehrere Thermistoren direkt oder indirekt an den einzelnen Batteriezellen angeordnet und hintereinander in Reihe geschaltet sind.
Aus der DE 10 2014 200 640 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, bei welchem ein Steuerstromkreis wenigstens eine Thermosicherung aufweist, welche beim Auslösen den Steuerstromkreis unterbricht, wobei die wenigstens eine Thermosicherung wenigstens einer Batteriezelle zugeordnet ist.
Die WO 2014/029565 A1 offenbart ein Batteriesystem, bei welchem ein thermoelektrisches Element und ein thermisch steuerbares Mittel zur Beeinflussung eines Stromflusses mit wenigstens einer Batteriezelle wärmegekoppelt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie anzugeben, bei welcher ein thermisches Durchgehen zuverlässig erfasst wird. Des Weiteren soll ein Hochvoltsystem mit einer solchen Batterie sowie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug angegeben werden.
Bezüglich der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2. Hinsichtlich des Hochvoltsystems wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und hinsichtlich des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die, insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildete, Batterie weist eine Anzahl an Batteriezellen sowie eine Anzahl an ersten Einrichtungen zum Erfassen eines thermischen Durchgehens auf. Beispielsweise sind die Batteriezellen zu einem oder mehr als einem Zellmodul zusammengefasst. Die ersten Einrichtungen zum Erfassen eines thermischen Durchgehens werden im Folgenden kurz als erste Einrichtungen bezeichnet. Geeigneterweise entspricht die Anzahl der ersten Einrichtungen der Anzahl der Batteriezellen. Dabei ist im Bereich jeder der Batteriezellen eine der ersten Einrichtungen angeordnet. Vorzugsweise sind die ersten Einrichtungen jeweils an der Batteriezelle, beispielsweise an einer Gehäuseseite zwischen den (elektrischen) Polen der jeweils zugeordneten Batteriezelle, angeordnet. Folglich ist ein thermisches Durchgehen einer der Batteriezellen mittels der jeweiligen ersten Einrichtung erfassbar.
Insbesondere ist die Batterie eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, welche elektrische Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Alternativ ist die Batterie beispielsweise für ein Endgerät, insbesondere für einen Laptop oder dergleichen vorgesehen.
Aufgrund der Anordnung der ersten Einrichtungen im Bereich der jeweiligen Batteriezelle sind die Batteriezelle und die jeweilige erste Einrichtung thermisch miteinander gekoppelt. Also erfolgt bei einer Erwärmung der Batteriezelle, insbesondere im Fall deren thermischen Durchgehens, eine entsprechende Erwärmung zumindest eines Teils der ersten Einrichtung. Insbesondere erfolgt das Erfassen eines thermischen Durchgehens einer der Batteriezelle anhand der Erfassung der Temperatur und/oder anhand einer bei einer Temperaturänderung bewirkten Zustandsänderung der jeweiligen ersten Einrichtung.
Zusammenfassend dienen die ersten Einrichtungen zum Überwachen der jeweils zugeordneten Batteriezelle bezüglich eines thermischen Durchgehens. Dabei ist jede der Batteriezellen anhand der jeweils zugeordneten ersten Einrichtung hinsichtlich eines thermischen Durchgehens überwacht.
Aufgrund dessen ist ein thermisches Durchgehen zuverlässig erfassbar. Beispielsweise werden bei Erfassen eines solchen thermischen Durchgehens eine Warnung an einen Benutzer ausgegeben oder Anschlüsse der Batterie für Verbraucher von den Batteriezellen (elektrisch) getrennt. Vorteilhafterweise somit eine Verletzungsgefahr für einen Benutzer oder die Gefahr einer Beschädigung einer die Batterie aufweisenden Vorrichtung, welche insbesondere als das Kraftfahrzeug ausgebildet ist, vermieden oder zumindest verringert. Mittels der Vorrichtung ist zusammenfassend eine zuverlässige Detektion einer Propagation realisiert, welche insbesondere auch gesetzlichen Anforderungen genügt.
Gemäß einer ersten Variante der Batterie ist jeder der ersten Einrichtungen als ein Thermoschalter ausgebildet. Die im Bereich der Batteriezellen angeordneten Thermoschalter sind zueinander parallel geschaltet, wobei die parallel geschalteten Thermoschalter mit einer Signalausgabe und einer Spannungsquelle in Serie geschaltet sind.
Zweckmäßigerweise sind die Thermoschalter bei einer Temperatur entsprechend des Normalbetriebs der jeweils zugeordneten Batteriezelle stromsperrend geschaltet, also in einem Offen-Zustand. Die Thermoschalter sind derart ausgebildet, dass diese bei Überschreiten einer vorgegebenen und das thermische Durchgehen repräsentierenden Temperatur, beispielsweise bei Überschreiten einer Temperatur von 100°C deren Schaltzustand ändern, also stromleitend geschaltet werden (Geschlossen-Zustand). In diesem Fall ist anhand der Spannungsquelle ein Stromfluss durch den leitend geschalteten Thermoschalter und damit einhergehend durch die mit diesem in Serie geschaltete Signalausgabe bewirkt.
Vorteilhaft ist bei Normalbetrieb der Batteriezellen und entsprechend im Offen-Zustand der Thermoschalter keine elektrische Leistung für die Überwachung der Batteriezellen notwendig.
Beispielsweise sind die ersten Einrichtungen auf einer gemeinsamen, insbesondere flexiblen, Leiterplatte angeordnet. Beispielsweise sind die Spannungsquelle und/oder die Signalausgabe zusätzlich auf der Leiterplatte angeordnet.
Zweckmäßigerweise ist die Signalausgabe mit einem ein Steuergerät, beispielsweise mit dem sogenannten Batterie-Management-System, signalübertragungstechnisch gekoppelt. Die signalübertragungstechnische Kopplung der Signalausgabe erfolgt dabei beispielsweise optisch, wobei die Signalausgabe hierzu als eine LED (Light Emitting Diode) ausgebildet ist. Alternativ ist die Signalausgabe galvanisch oder induktiv mit dem Steuergerät signalübertragungstechnisch gekoppelt, wobei die Signalausgabe beispielsweise als ein Shuntwiderstand bzw. als eine Spule ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die ersten Einrichtungen, die Spannungsquelle und/oder die Signalausgabe in das Steuergerät integriert. Allenfalls ist es somit bei einem thermischen Durchgehen ermöglicht, Maßnahmen wie beispielsweise die Ausgabe einer Warnung an einen Benutzer oder das Trennen der Batteriezellen von den Anschlüssen der Batterie für Verbraucher einzuleiten.
Gemäß einer zweiten Variante der Batterie ist jede der ersten Einrichtungen als eine Thermosicherung oder als ein Thermistor ausgebildet. Dabei ist die der jeweiligen Batteriezelle zugeordnete erste Einrichtung in einen Strompfad geschaltet, welcher mit einem der Pole dieser Batteriezelle verbunden ist.
Jede der Thermosicherungen ist derart ausgebildet, dass diese bei einem thermischen Durchgehen der zugeordneten Batteriezelle auslöst. Der jeweilige Strompfad wird also entsprechend bei Überschreiten einer Auslösetemperatur (elektrisch) unterbrochen. Die Thermistoren weisen einen elektrischen Widerstand auf, der abhängig von dessen Temperatur ist. Der elektrische Widerstand des Thermistors ändert sich bei einer Änderung der Temperatur entsprechend dessen Widerstands-Temperatur-Kennlinie.
Die Unterbrechung des Strompfades infolge des Auslösens der Thermosicherung bzw. die Änderung des elektrischen Widerstandes des Strompfades infolge der Änderung des elektrischen Widerstandes des Thermistors ist von einer mit dem Strompfad verbundenen Schaltung, einer mit dem Strompfad verbundenen Vorrichtung zum Erfassen dessen elektrischen Widerstands oder vorzugsweise von einer mit dem Strompfad verbundenen Vorrichtung zum Erfassen der von der Batteriezelle bereitgestellten Spannung erfassbar. Vorzugsweise sind mittels der Strompfade also Spannungsabgriffe gebildet, anhand welcher eine von der jeweiligen Batteriezelle bereitgestellte Spannung erfassbar ist. Mit anderen Worten sind die ersten Einrichtungen dann jeweils in einen, vorzugsweise bereits vorhandenen, Spannungsabgriff geschaltet.
Diese Schaltung, die Vorrichtung zum Erfassen der von der Batteriezelle bereitgestellten Spannung oder die Vorrichtung zum Erfassen des elektrischen Widerstands des Strompfades sind vorzugsweise in das, insbesondere als Batterie-Management-System, ausgebildete Steuergerät der Batterie integriert. Somit ist die Überwachung der Batteriezellen hinsichtlich eines thermischen Durchgehens vorteilhaft anhand der bereits vorhandenen Spannungsabgriffe realisiert. Eine zusätzliche Schaltung, gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Steuergerät ist also nicht notwendig.
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist jeder der Thermistoren ein elektrischer Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizient. Mit andern Worten ist jeder der Thermistoren ein Kaltleiter (PTC). Ein solcher Kaltleiter ist beispielsweise mittels einer Keramik oder eines Polymers hergestellt. Insbesondere wird ein thermisches Durchgehen anhand eines Überschreitens des elektrischen Widerstands über einen das thermische Durchgehen repräsentierenden Widerstands-Schwellenwert erfasst.
Dabei ist der Kaltleiter derart ausgebildet, dass für im Normalbetrieb auftretende Temperaturen der Batteriezelle der das thermische Durchgehen repräsentierender Widerstands-Schwellenwert nicht überschritten wird.
Die als eine Thermosicherung oder als ein Thermistor, insbesondere als ein Kaltleiter, ausgebildete erste Einrichtung ist beispielsweise im Bereich des entsprechend zugeordneten Pols angeordnet. Aufgrund einer vergleichsweise hohen Temperatur eines ebenfalls im Bereich dieses Pols angeordneten Zellverbinders kann allerdings ein fehlerhaftes Auslösen der Thermosicherung oder ein Überschreiten des das thermische Durchgehen repräsentierenden Widerstands-Schwellenwerts erfolgen. Um dies zu vermeiden, ist die erste Einrichtung bevorzugt in einem (Mitten-, Zentral-) Bereich zwischen den Polen der jeweiligen Batteriezelle angeordnet. Alternativ wird eine Thermosicherung mit entsprechen hoher Auslösetemperatur bzw. ein Thermistor mit entsprechend geeigneter Widerstands-Temperatur-Kennlinie herangezogen oder der Widerstands-Schwellenwert entsprechend hoch gewählt.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der zweiten Variante ist in einen der Strompfade, welcher mit einem der Pole der zugeordneten Batteriezelle verbunden ist, eine zweite Einrichtung zum Erfassen eines thermischen Durchgehens der jeweils zugeordneten Batteriezelle geschaltet. Die zweite Einrichtung ist hierbei im Bereich, insbesondere an, einer der anderen Batteriezellen angeordnet. Mit anderen Worten ist die zweite Einrichtung im Bereich einer der Batteriezellen angeordnet, mit deren Pol dieser Strompfad nicht verbunden ist. Geeigneterweise ist die zweite Einrichtung zudem in Serie mit der ersten Einrichtung geschaltet.
Vorzugsweise ist in jeden der Strompfade eine zweite Einrichtung geschaltet, wobei die zweite Einrichtung jeweils im Bereich einer anderen Batteriezelle als der der ersten Einrichtung zugeordneten Batteriezelle angeordnet ist.
Auf diese Weise sind die entsprechenden Batteriezellen sowohl mittels einer ersten Einrichtung als auch mittels einer zweiten Einrichtung überwacht, wobei die beiden Einrichtungen in zwei, insbesondere Spannungsabgriffe bildende, unterschiedliche Strompfade geschaltet sind. Also erfolgt eine redundante Überwachung der entsprechenden Batteriezellen.
Die zweite Einrichtung ist dabei bevorzugt ebenfalls als eine Thermosicherung oder als ein Thermistor, insbesondere als ein Kaltleiter, ausgebildet.
Die in einen gemeinsamen Strompfad geschaltete erste Einrichtung und die zweite Einrichtung sind als Kaltleiter ausgebildet, und weisen unterschiedliche Widerstands-Temperatur-Kennlinien auf. Auf diese Weise ist anhand des Erfassens des Widerstands des den beiden Kaltleitern gemeinsamen Strompfades bestimmbar, ob das thermische Durchgehen bei der der ersten Einrichtung zugeordneten Batteriezelle oder bei der der zweiten Einrichtung zugeordneten Batteriezelle erfolgt ist.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist in einen, vorzugsweise in jeden, der Strompfade eine zweite Einrichtung geschaltet. Bei einem solchen Strompfad, also einem Strompfad mit einer ersten Einrichtung und mit einer zweiten Einrichtung, ist die erste Einrichtung im Bereich des mit dem Strompfad verbundenen Pols der entsprechenden Batteriezelle angeordnet. Die zweite Einrichtung ist im Bereich zwischen den Polen dieser Batteriezelle angeordnet. Mit anderen Worten sind die ersten Einrichtung und die zweite Einrichtung auf derselben Batteriezelle angeordnet, wobei die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung, zweckmäßigerweise in Serie, in einen gemeinsamen Strompfad geschaltet sind.
Somit sind die entsprechenden Batteriezellen jeweils mittels einer ersten Einrichtung sowie mittels einer zweiten Einrichtung überwacht, wobei die beiden Einrichtungen in einen, insbesondere einen Spannungsabgriff bildenden, gemeinsamen Strompfad geschaltet sind. Vorteilhafterweise ist auf diese Weise eine redundante Überwachung der entsprechenden Batteriezelle realisiert.
Sofern die in einen gemeinsamen Strompfad geschaltete erste Einrichtung und die zweite Einrichtung als Kaltleiter ausgebildet sind, weisen diese zweckmäßigerweise unterschiedliche Widerstands-Temperatur-Kennlinien auf. So kann ein fehlerhaftes Überschreiten des das thermische Durchgehen repräsentierenden Widerstands-Schwellenwerts aufgrund einer vergleichsweise hohen Temperatur der ebenfalls im Bereich der Pole angeordneten Zellverbinder vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der ersten und der zweiten Ausgestaltung der zweiten Variante weist die Batterie einen Thermistor auf, welcher beabstandet zu den Batteriezellen angeordnet ist. Dabei ist der Thermistor in einen Referenz-Strompfad geschaltet, welcher mit einem der Pole einer der Batteriezellen verbunden ist. Insbesondere ist dies ein zu den Strompfaden mit den ersten Einrichtungen separater Strompfad.
Dieser Thermistor dient als Referenzwiderstand für die im Bereich der Batteriezellen angeordneten ersten Einrichtungen. So ist dessen elektrischer Widerstand auch im Falle eines thermischen Durchgehens einer der Batteriezellen konstant. Vorzugsweise ist der Thermistor außerhalb eines die Batteriezellen aufnehmenden Gehäuses, insbesondere eines Batteriezellenmodulgehäuses, angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ dient der Thermistor der Bestimmung der Temperatur anhand dessen Widerstands-Temperatur-Kennlinie. Vorzugsweise ist der Thermistor als ein Heißleiter ausgebildet. Mit einem als Heißleiter ausgebildeten Thermistor ist die Temperatur in der Umgebung der Batteriezellen vergleichsweise genau erfassbar.
Ein Hochvoltsystem eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Batterie auf, wobei im Bereich deren Batteriezellen jeweils eine erste Einrichtung zum Erfassen eines thermischen Durchgehens der zugeordneten Batteriezelle angeordnet ist. Dabei sind die, insbesondere als Thermosicherung oder als Kaltleiter ausgebildeten, ersten Einrichtungen zum Erfassen eines thermischen Durchgehens in Serie geschaltet. Weiterhin weist das Hochvoltsystem eine auch als (HV-)Interlock oder als Sicherheitslinie bezeichnete Pilotlinie auf, wobei die in Serie geschalteten ersten Einrichtungen in die Pilotlinie geschaltet sind. Zusammenfassend sind die ersten Einrichtungen in Serie in die Pilotlinie geschaltet.
Dabei ist die Pilotlinie mit einem, insbesondere als Batterie-Management-System ausgebildeten, Steuergerät verbunden. Zweckmäßigerweise wird von dem Steuergerät eine Unterbrechung der Pilotlinie aufgrund eines Auslösens der als Thermosicherung ausgebildeten ersten Einrichtung oder eine Veränderung, insbesondere einer Erhöhung, des elektrischen Widerstands zumindest einer der als Thermistoren ausgebildeten ersten Einrichtungen infolge des thermischen Durchgehens erfasst. Zweckmäßigerweise bewirkt das Steuergerät infolgedessen ein Trennen der Batteriezellen von den Anschlüssen der Batterie für einen Verbraucher. Mit anderen Worten werden die Anschlüsse der Batterie spannungsfrei geschaltet.
Somit ist die Überwachung der Batteriezellen hinsichtlich eines thermischen Durchgehens vorteilhaft anhand des bereits vorhandenen Hochvoltsystems realisiert. Eine separate Schaltung, gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Steuergerät ist hierbei also nicht notwendig.
Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Hochvoltsystem in der oben dargestellten Variante auf. Insbesondere sind also die ersten Einrichtungen in Serie und in die Pilotlinie des Hochvoltsystems geschaltet.
Alternativ weist das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Batterie nach einer der oben dargestellten Varianten auf. Insbesondere ist also im Bereich jeder Batteriezelle der Batterie eine der ersten Einrichtungen zum Erfassen eines thermischen Durchgehens angeordnet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 in schematischer Draufsicht eine erste Variante einer Batterie mit einer Anzahl an Batteriezellen, wobei im Bereich jeder der Batteriezellen eine als Thermoschalter ausgebildete erste Einrichtung zum Erfassen eines thermischen Durchgehens der jeweils zugeordneten Batteriezelle angeordnet ist, und wobei die Thermoschalter zueinander parallel geschaltet sind,
2 schematisch ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Batterie gemäß einer ersten Ausgestaltung einer zweiten Variante, wobei in mit Polen der Batteriezellen verbundenen Strompfaden jeweils eine der ersten Einrichtungen und eine zweite Einrichtung in Serie geschaltet sind, und wobei bei jedem dieser Strompfade die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung im Bereich zweier unterschiedlicher Batteriezellen angeordnet sind,
3 schematisch eine alternative Ausgestaltung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs mit einer Batterie gemäß einer zweiten Ausgestaltung der zweiten Variante, wobei in den mit den Polen der Batteriezellen verbundenen Strompfaden jeweils eine der ersten Einrichtungen und eine der zweiten Einrichtungen in Serie geschaltet sind, und wobei die erste Einrichtung im Bereich des mit dem Strompfad verbundenen Pols und die zweite Einrichtung zwischen den Polen der entsprechenden Batteriezelle angeordnet sind, und
4 schematisch eine alternative Ausgestaltung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug ein Hochvoltsystem mit einer Pilotlinie sowie eine Batterie aufweist, im Bereich deren Batteriezellen jeweils eine erste Einrichtung angeordnet ist, und wobei die ersten Einrichtungen in Serie in die Pilotleitung geschaltet sind.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1 ist eine erste Variante einer Batterie 2 dargestellt. Diese weist eine Anzahl an Batteriezellen 4 auf. Zudem weist die Batterie 2 eine der Anzahl der Batteriezellen 4 entsprechende Anzahl an ersten Einrichtungen 6 auf. Dabei ist im Bereich jeder der Batteriezellen 2 eine der ersten Einrichtungen 6 angeordnet. Wie in der 1 erkennbar ist, sind die ersten Einrichtungen 6 hierbei jeweils an einer Seite 8 der jeweiligen Batteriezelle 4 angeordnet, an welcher die beiden Pole 10 der Batteriezelle 4 angeordnet sind.
Die ersten Einrichtungen 6 dienen dem Erfassen eines thermischen Durchgehens derjenigen Batteriezelle 4, in deren Bereich diese angeordnet sind. Zum Erfassen ist jede der ersten Einrichtungen 6 als ein Thermoschalter ausgebildet. Die als Thermoschalter ausgebildeten ersten Einrichtungen 6 sind dabei zueinander parallel geschaltet, wobei die zueinander parallel geschalteten Thermoschalter wiederum in Serie mit einer Signalausgabe 12 und mit einer Spannungsquelle 14 geschaltet sind.
Aufgrund der Anordnung der Thermoschalter an den Batteriezellen 4 sind diese thermisch mit der entsprechenden Batteriezelle 4 gekoppelt. Dementsprechend erfolgt bei einer Erwärmung der Batteriezelle 4, insbesondere im Fall deren thermischen Durchgehens, eine entsprechende Erwärmung der Thermoschalter. Die Thermoschalter sind dabei bei Temperaturen entsprechend des Normalbetriebs der jeweils zugeordneten Batteriezelle 4 stromsperrend geschaltet. Bei Überschreiten einer das thermische Durchgehen repräsentierenden Temperatur, beispielsweise bei Überschreiten einer Temperatur von 100°C, ändert der jeweilige Thermoschalter dessen Schaltzustand und wird also stromleitend geschaltet. Infolgedessen fließt ein Strom durch den stromleitend geschalteten Thermoschalter und die Signalausgabe 12.
Die Signalausgabe 12 ist als eine LED (Light Emitting Diode) ausgebildet, welche bei Bestromung Licht aussendet. Auf diese Weise ist die Signalausgabe 12 signalübertragungstechnisch mit einem nicht weiter dargestellten Steuergerät gekoppelt.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante weist ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug die Batterie 2 gemäß der 1 auf. Die Batterie 2 ist dabei die Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs. Die Batterie 2 stellt also elektrische Energie für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs, insbesondere für einen Elektromotor bereit.
In der 2 ist ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug 16 dargestellt, welches die Batterie 2 in einer ersten Ausgestaltung einer zweiten Variante aufweist. Hierbei ist mittels der Batterie 2 die Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs 16 gebildet.
Bei der ersten Ausgestaltung der zweiten Variante der Batterie 2 sind die ersten Einrichtungen 6 jeweils in einen Strompfad 18 oder 18` geschaltet, welcher Strompfad 18 oder 18` an einen der (elektrischen) Pole 10 der entsprechend zugeordneten Batteriezelle 4 angeschlossen, also mit diesem elektrisch verbunden, ist.
Mittels der Strompfade 18 und 18` sind Spannungsabgriffe gebildet, welche mit einem Steuergerät 20 verbunden sind. Das Steuergerät 20 dient dabei dem Erfassen der von der Batteriezelle 4 bereitgestellten Spannung. Dabei sind zum Zwecke einer besseren Übersichtlichkeit nur diejenigen Spannungsabgriffe dargestellt, in die die ersten Einrichtungen 6 geschaltet sind.
Weiterhin weist die Batterie 2 gemäß der Ausgestaltung der 2 zweite Einrichtungen 22 auf. Diese sind in die Strompfade 18` geschaltet, wobei die einen der Strompfad 18` geschaltete erste Einrichtung 6 und die jeweilige zweite Einrichtung 22 in Serie geschaltet sind. Des Weiteren sind die in einen gemeinsamen der Strompfade 18` geschaltete erste Einrichtung 6 und die zweite Einrichtung im Bereich, insbesondere an der Seite 8, unterschiedlicher Batteriezellen 4 angeordnet. Hierbei sind die ersten Einrichtungen 6 im Bereich desjenigen Pols 10 angeschlossen, mit welchem der Strompfad 18` verbunden ist. Die zweiten Einrichtungen 22 sind in einem Bereich der Seite 8 zwischen den Polen 10 der jeweiligen Batteriezelle 4 angeordnet. Die zweite Einrichtung 22 dient dem Erfassen eines thermischen Durchgehens derjenigen Batteriezelle 4, in deren Bereich die jeweilige zweite Einrichtung 22 angeordnet ist.
Zusammenfassend sind in die Strompfade 18 eine der ersten Einrichtungen 6 und in die Strompfade 18` eine der ersten Einrichtungen 6 sowie eine der zweiten Einrichtungen 22 geschaltet.
Die ersten Einrichtungen 6 sowie die zweiten Einrichtungen 22 sind dabei jeweils ein als elektrischer Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten ausgebildeter Thermistor. Mit anderen Worten sind die ersten Einrichtungen 6 und die zweiten Einrichtungen 22 jeweils ein Kaltleiter (PTC).
Die als Kaltleiter ausgebildeten ersten und zweiten Einrichtungen 6 und 22 sind dabei derart ausgebildet, dass sich deren elektrischer Widerstand bei einem thermischen Durchgehen einer der Batteriezellen 4 aufgrund deren thermischen Kopplung mit dieser Batteriezelle 4 vergleichsweise stark vergrößert.
Somit wird ein thermisches Durchgehen anhand eines Überschreitens des elektrischen Widerstands des entsprechenden Strompfads 18 oder 18` über einen diese Temperatur entsprechenden Widerstands-Schwellenwert oder entsprechend anhand eines Unterschreitens der von dem Steuergerät 20 erfassten Spannung unter einen entsprechenden Spannungs-Schwellenwert erfasst.
Zusammenfassend erfolgt also eine Überwachung der Batteriezellen 4 hinsichtlich eines thermischen Durchgehens anhand der jeweiligen ersten Einrichtung 6 und bei denjenigen Batteriezellen 4, in deren Bereich eine der zweiten Einrichtungen 22 angeordnet ist, eine redundante Überwachung mittels der zweiten Einrichtungen 22.
Die ersten Einrichtungen 6 und die zweiten Einrichtungen 22 weisen unterschiedliche Widerstands- Temperatur-Kennlinien auf, sodass anhand des Erfassens des Widerstands des Strompfades 18` bzw. anhand des Erfassens der Spannung des bestimmbar ist, ob das thermische Durchgehen bei der der ersten Einrichtung 6 zugeordneten Batteriezelle 4 und/oder bei der der zweiten Einrichtung 22 zugeordneten Batteriezelle 4 erfolgt ist.
Des Weiteren weist die Batterie 2 einen Thermistor 24 auf, welcher beabstandet zu den Batteriezellen 4 angeordnet ist. Der Thermistor 24 dient als Referenzwiderstand für die im Bereich der Batteriezellen 4 angeordneten ersten Einrichtungen 6 und zweiten Einrichtungen 22. Dabei ist der Thermistor 24 in einen zu den Strompfaden 18, 18` separaten Referenz-Strompfad 26 geschaltet, welcher mit einem der Pole einer der Batteriezellen 4 verbunden ist.
Der Thermistor 24 ist dabei derart von den Batteriezellen 4 beabstandet angeordnet, dass dessen elektrischer Widerstand auch im Falle eines thermischen Durchgehens einer der Batteriezellen 4 im Wesentlichen konstant bleibt. Hierzu ist der Thermistor 24 außerhalb eines nicht weiter dargestellten Gehäuses angeordnet, welches die Batteriezellen 4 umfasst.
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative der Ausgestaltung der 2 sind die ersten Einrichtungen 6 und/oder die zweiten Einrichtungen 22 jeweils als eine Thermosicherung ausgebildet. Bei einem thermischen Durchgehen wird der jeweilige Strompfad 18, 18` unterbrochen, sodass anhand des Erfassens des Widerstands des Strompfades 18,18' bzw. anhand des Erfassens der Spannung das thermische Durchgehen erfassbar ist.
In der 3 ist eine alternative Ausgestaltung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 16 mit einer Batterie 2 gemäß einer zweiten Ausgestaltung der zweiten Variante dargestellt. Hierbei sind die ersten Einrichtungen 6 in analoger Weise zur ersten Ausgestaltung der zweiten Variante der Batterie 2 in Strompfade 18 geschaltet, welche an einen der Pole 10 der jeweils zugeordneten Batteriezelle 4 angeschlossen sind.
Hierbei ist in jeden der Strompfade 18 eine der zweiten Einrichtung 22 in Serie zur ersten Einrichtung 6 geschaltet. Dabei ist für jeden der Strompfade 18 die jeweilige erste Einrichtung 6 an der Seite 8 der Batteriezelle 4 im Bereich des mit diesem Strompfad 18 verbundenen Pols der Batteriezelle 4 angeordnet. Die zweite Einrichtung 22 ist an der Seite 8 im Bereich zwischen den beiden Polen 10 dieser Batteriezelle 4 angeordnet. Mit anderen Worten sind die erste Einrichtung 6 und die zweite Einrichtung 22 auf derselben Batteriezelle 4 angeordnet, wobei die erste Einrichtung 6 und die zweite Einrichtung 22 in den mit einem der Pole 10 dieser Batteriezelle 4 verbundenen Strompfad 18 geschaltet sind.
Somit sind die Batteriezellen 4 jeweils mittels einer der ersten Einrichtungen 6 sowie mittels einer der zweiten Einrichtungen 22 überwacht. Somit ist für die Batteriezellen 4 eine redundante Überwachung realisiert.
Mittels der Strompfade 18 sind Spannungsabgriffe gebildet, welche mit dem Steuergerät 20 verbunden sind. Das Steuergerät 20 dient dabei dem Erfassen der von der Batteriezelle 4 bereitgestellten Spannung und/oder des elektrischen Widerstands der Strompfade 18.
In analoger Weise zu den Ausführungen zur 2 sind die ersten Einrichtungen 6 und die zweiten Einrichtungen 22 jeweils als ein Kaltleiter ausgebildet. Diese sind derart ausgebildet, dass deren elektrischer Widerstand bei einem thermischen Durchgehen einer der Batteriezellen 4 aufgrund deren thermischen Kopplung mit dieser Batteriezelle 4 vergleichsweise stark vergrößert. Entsprechend wird ein thermisches Durchgehen anhand eines Überschreitens des elektrischen Widerstands des entsprechenden Strompfads 18 oder 18` über einen diese Temperatur entsprechenden Widerstands-Schwellenwert oder entsprechend anhand eines Unterschreitens der von dem Steuergerät 20 erfassten Spannung unter einen entsprechenden Spannungs-Schwellenwert erfasst.
Analog zur Batterie 2 gemäß der Ausgestaltung nach 2 weist die Batterie 2 gemäß der zweiten Ausgestaltung der zweiten Variante einen Thermistor 24 als Referenzwiderstand auf, welcher beabstandet zu den Batteriezellen 4 angeordnet ist.
In der 4 ist eine alternative Ausgestaltung des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 16 dargestellt. Hierbei weist das Kraftfahrzeug 16 ein Hochvoltsystem 28 mit einer Batterie 2 auf. Die Batterie 2 weist die Batteriezellen 4 auf, welche in nicht näher dargestellter miteinander elektrisch verschaltet sind.
Wie in der 4 lediglich schematisch gezeigt ist, sind die Batteriezellen 4 mit Anschlüssen 30 der Batterie 2 für Verbraucher verbunden. Dabei ist in zwischen den Batteriezellen und den Anschlüssen 30 verlaufenden Strompfaden jeweils ein Schalter 32 geschaltet, mittels welchen die Batteriezellen 4 elektrisch von den Anschlüssen 30 trennbar sind. Mit anderen Worten sind die Anschlüsse 30 mittels der Schalter 32 spannungsfrei schaltbar. Die Schalter 32 sind dabei vom Steuergerät 20 ansteuerbar.
An den Anschlüssen 30 ist ein Wechselrichter 34 angeschlossen, welcher eine von der Batterie 2 bereitgestellte Gleichspannung bzw. einen von der Batterie 2 bereitgestellten Gleichstrom in eine zum Betrieb eines mit den Wechselrichter 34 verbundenen Elektromotors 36 geeignete Wechselspannung bzw. in einen entsprechenden Wechselstrom wandelt.
Weiterhin weist das Hochvoltsystem 28 eine Pilotlinie 38 auf. Mittels der Pilotlinie 38 sind Steckverbinder 40 des Elektromotors 36, des Wechselrichters 34 und der Batterie 2 mit dem Steuergerät 20 in Serie geschaltet. Ein Fehlerfall des Hochvoltsystems, beispielsweise eine Unterbrechung der Pilotleitung 38 durch eine fehlerhafte Steckverbindung an einem der Steckverbinder 40 oder durch einen Unfall wird mittels des Steuergeräts 20 erfasst. Infolge eines solchen Fehlers werden die vom Steuergerät 20 angesteuerten Schalter 32 geöffnet, also stromsperrend geschaltet, so dass die Batteriezellen 4 von den Anschlüssen 30 der Batterie 2 für Verbraucher sind, mit anderen Worten so dass die Anschlüsse 30 der Batterie 2 spannungsfrei geschaltet sind.
Die Batterie 2 weist gemäß der Ausgestaltung der 4 eine erste Einrichtung 6 für jede der Batteriezellen 4 auf. Die ersten Einrichtungen 6 sind dabei im Bereich der jeweils zugeordneten Batteriezelle 4 angeordnet. Die ersten Einrichtungen 6 sind dabei in die Pilotlinie 38 und zueinander in Serie geschaltet. Die ersten Einrichtungen 6 sind als Kaltleiter, als Thermosicherung oder als Thermoschalter ausgebildet, wobei bei einem thermischen Durchgang einer der Batteriezellen 4 der elektrische Widerstand der Pilotleitung 38 aufgrund einer Erhöhung des elektrischen Widerstands des entsprechenden Kaltleiters, aufgrund eines Auslösens der entsprechenden Thermosicherung bzw. aufgrund eines Schaltens des Thermoschalters in einen stromsperrenden Zustand entsprechend größer wird. Dies wird vom Steuergerät 20 erfasst. Folglich werden bei einem thermischen Durchgehen die vom Steuergerät 20 angesteuerten Schalter 32 stromsperrend geschaltet, so dass die Batteriezellen 4 von den Anschlüssen 30 der Batterie 2 für Verbraucher getrennt sind.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Insbesondere weist eine Vorrichtung zum Erfassen eines thermischen Durchgehens einer der Batteriezellen einer Batterie eine Anzahl an temperaturabhängigen elektrischen Widerständen auf, wobei jeweils einer der temperaturabhängigen elektrischen Widerstände zur Anordnung im Bereich, vorzugsweise an, jeder der Batteriezellen vorgesehen ist. Beispielsweise sind die temperaturabhängigen elektrischen Widerstände jeweils als ein Thermistor, als eine thermische Sicherung, als ein Thermoschalter, als ein thermischer Schalter ausgebildet.
Bezugszeichenliste

2: Batterie
4: Batteriezelle
6: erste Einrichtung
8: Seite der Batteriezelle
10: Pol
12: Signalausgabe
14: Spannungsquelle
16: Kraftfahrzeug
18,18': Strompfad
20: Steuergerät
22: zweite Einrichtung
24: Thermistor
26: Referenz-Strompfad
28: Hochvoltsystem
30: Anschluss der Batterie für Verbraucher
32: Schalter
34: Wechselrichter
36: Elektromotor
38: Pilotlinie
40: Steckverbinder

Claims

Batterie (2) mit einer Anzahl an Batteriezellen (4), - wobei im Bereich jeder der Batteriezellen (4) jeweils eine erste Einrichtung (6) zum Erfassen eines thermischen Durchgehens der jeweils zugeordneten Batteriezelle (4) angeordnet ist, und - wobei jede der ersten Einrichtungen (6) als ein Thermoschalter ausgebildet ist, wobei die Thermoschalter zueinander parallel geschaltet sind, und wobei die parallel geschalteten Thermoschalter mit einer Signalausgabe (12) und mit einer Spannungsquelle (14) in Serie geschaltet sind.
Batterie (2) mit einer Anzahl an Batteriezellen (4), - wobei im Bereich jeder der Batteriezellen (4) jeweils eine erste Einrichtung (6) zum Erfassen eines thermischen Durchgehens der jeweils zugeordneten Batteriezelle (4) angeordnet ist, - wobei jede der ersten Einrichtungen (6) als eine Thermosicherung oder als ein Thermistor ausgebildet ist, wobei die der jeweiligen Batteriezelle (4) zugeordnete erste Einrichtung (6) in einen mit einem der Pole (10) der Batteriezelle (4) verbundenen Strompfad (18,18`) geschaltet ist, - wobei in einen der Strompfade (18`), welcher mit einem der Pole (10) der zugeordneten Batteriezelle (4) verbunden ist, eine zweite Einrichtung (22) geschaltet ist, wobei die zweite Einrichtung (22) im Bereich einer der anderen Batteriezellen (4) angeordnet ist, und - wobei die erste Einrichtung (6) und die zweite Einrichtung (22) als elektrische Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizient ausgebildet sind, welche unterschiedliche Widerstands-Temperatur-Kennlinien aufweisen.
Batterie (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einen der Strompfade (18') eine zweite Einrichtung (22) geschaltet ist, wobei die erste Einrichtung (6) im Bereich des mit diesem Strompfad (18`) verbundenen Pols (10) der Batteriezelle (4) und die zweite Einrichtung (22) im Bereich zwischen den Polen (10) dieser Batteriezelle (4) angeordnet ist.
Batterie (2) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen beabstandet zu den Batteriezellen (4) angeordneten Thermistor (24) als Referenzwiderstand, wobei der Thermistor (24) in einen mit einem der Pole (10) einer der Batteriezellen (4) verbundenen Referenz-Strompfad (26) geschaltet ist.
Hochvoltsystem (28) eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (16), mit einer Batterie (2) nach Anspruch 1 oder 2 sowie mit einer Pilotlinie (38), wobei die ersten Einrichtungen (6) zum Erfassen eines thermischen Durchgehens in Serie geschaltet sind, und wobei die in Serie geschalteten ersten Einrichtungen (6) zum Erfassen eines thermischen Durchgehens die Pilotlinie (38) geschaltet sind.
Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (16) mit einem Hochvoltsystem (28) nach Anspruch 5.
Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (16) mit einer Batterie (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.