DE-102014221526-B4 - Vorrichtung zur zellspannungssensitiven Überstromunterbrechung, Lithium-Io-nen-Batterie

Abstract

Trennvorrichtung (30, 30') für eine Batterie, welche mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen (21, 22, 23, 24) sowie einen ersten und einen zweiten Stromversorgungsanschluss (18, 19) aufweist, wobei die Trennvorrichtung (30, 30') ein Trennelement (31) aufweist, insbesondere ein pyrotechnisches Trennelement (31), mit der die Batteriezellen (21, 22, 23, 24) oder ein Teil davon im Fall eines Kurzschlusses von zumindest einem Stromversorgungsanschluss (18, 19) getrennt werden können, und wobei die Trennvorrichtung (30, 30') ferner eine passive strom- oder spannungsgesteuerte Auslöseschaltung (32) umfasst, die parallel zu einer oder mehrerer Batteriezellen (21, 22, 23, 24) ist, wobei die Auslöseschaltung (32) eine stromgesteuerte Auslöseschaltung ist und als Auslöseelement (321) ein RC-Glied (C1, R11, R12) mit einem als Stromquelle dienenden Kondensator (C1), der mit zumindest einem Vorwiderstand (R11, R12) in Reihe geschaltet ist, umfasst, wobei die Auslöseschaltung (32) ferner eine zu einem Auslöseelement parallel geschaltete Zündschaltung (33) aufweist, die dazu angepasst ist, bei einem vordefinierten Spannungseinbruch in einer oder mehrerer der Batteriezellen (21, 22, 23, 24) auszulösen und den Strompfad zu dem pyrotechnischen Trennelement (31) zu schließen, und die Zündschaltung (33) zumindest einen Sicherungswiderstand (R2) und einen Thyristor (T1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseschaltung (32) eine stromgesteuerte Auslöseschaltung ist und der Sicherungswiderstand (R2) kleiner als ein Vorwiderstand (R11, R12) ist.

Inventors

• Matthias Riedmann
• Peter Kohn
• Robert Hafenbrak
• Daniel Bernd Greiner
• Christian Wagner

Assignees

• ROBERT BOSCH GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20141023

Claims (5)

1. Trennvorrichtung (30, 30') für eine Batterie, welche mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen (21, 22, 23, 24) sowie einen ersten und einen zweiten Stromversorgungsanschluss (18, 19) aufweist, wobei die Trennvorrichtung (30, 30') ein Trennelement (31) aufweist, insbesondere ein pyrotechnisches Trennelement (31), mit der die Batteriezellen (21, 22, 23, 24) oder ein Teil davon im Fall eines Kurzschlusses von zumindest einem Stromversorgungsanschluss (18, 19) getrennt werden können, und wobei die Trennvorrichtung (30, 30') ferner eine passive strom- oder spannungsgesteuerte Auslöseschaltung (32) umfasst, die parallel zu einer oder mehrerer Batteriezellen (21, 22, 23, 24) ist, wobei die Auslöseschaltung (32) eine stromgesteuerte Auslöseschaltung ist und als Auslöseelement (321) ein RC-Glied (C1, R11, R12) mit einem als Stromquelle dienenden Kondensator (C1), der mit zumindest einem Vorwiderstand (R11, R12) in Reihe geschaltet ist, umfasst, wobei die Auslöseschaltung (32) ferner eine zu einem Auslöseelement parallel geschaltete Zündschaltung (33) aufweist, die dazu angepasst ist, bei einem vordefinierten Spannungseinbruch in einer oder mehrerer der Batteriezellen (21, 22, 23, 24) auszulösen und den Strompfad zu dem pyrotechnischen Trennelement (31) zu schließen, und die Zündschaltung (33) zumindest einen Sicherungswiderstand (R2) und einen Thyristor (T1) umfasst, dadurch gekennzeichnet , dass die Auslöseschaltung (32) eine stromgesteuerte Auslöseschaltung ist und der Sicherungswiderstand (R2) kleiner als ein Vorwiderstand (R11, R12) ist.
2. Trennvorrichtung (30, 30') nach dem vorhergehenden Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Auslöseschaltung (32) ein Auslöseelement (321) und eine zu dem Auslöseelement parallel geschaltete Zündschaltung (33) aufweist, die dazu angepasst ist, bei einem vordefinierten Spannungseinbruch in einer oder mehrerer der Batteriezellen (21, 22, 23, 24) auszulösen und den Strompfad zu dem pyrotechnischen Trennelement (31) zu schließen, und parallel zu der Zündschaltung (33) eine Auslöseverzögerungsschaltung (34) geschaltet ist.
3. Trennvorrichtung (30, 30') nach dem vorhergehenden Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Auslöseverzögerungsschaltung (34) ein RC-Glied (C2, R3) umfasst.
4. Lithium-Ionen-Batterie, insbesondere für ein Fahrzeug, die zumindest eine Trennvorrichtung (30, 30') nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 umfasst.
5. Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass ein oder mehrere Trennvorrichtungen (30, 30') derart angeordnet sind, dass bei einer Trennung durch die Trennvorrichtung (30, 30') die getrennten Batteriezellen (21, 22, 23, 24) eine Spannung von kleiner oder gleich 60 Volt aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung für eine Batterie nach den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen, sowie eine Lithium-Ionen-Batterie nach den im Oberbegriff des Anspruchs 4 genannten Merkmalen. Stand der Technik In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wie beispielsweise Plug-In-Elektrofahrzeugen (PHEV) wird als Energiequelle ein Akkumulator bzw. eine Batterie, der mehrere Batteriezellen umfasst, eingesetzt. Hierbei werden oft auf Lithiumchemie basierende Batteriezellen verwendet, da diese im Vergleich zu auf Nickel oder Blei basierenden Batterien die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen. Um die benötigten Leistungs- und Energiedaten zu erreichen, werden dabei typischerweise mehrere Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet, so dass die Ruhespannung des Gesamtsystems im Bereich von einigen 100 Volt liegt. Die für Menschen als unkritisch eingestufte Spannung liegt bei 60 Volt oder kleiner. Ein Kurzschluss der fahrzeugseitigen Batteriepole, aber auch ein Kurzschluss von Teilen der Batterie bei bestimmten Zellanordnungen, führt zu sehr hohen Strömen von bis zu mehreren 1000 Ampere. Diese Kurzschluss-Ströme müssen durch geeignete Maßnahmen unterbrochen werden. Aktuell werden solche Kurzschluss-Ströme durch Schmelzsicherungen getrennt. Die Funktionsweise dieser Schmelzsicherungen beruht auf dem Wärmeeintrag durch den hohen fließenden Strom und das dadurch hervorgerufene Aufschmelzen der Leiter in der Sicherung. Zumeist wird hierbei eine Sicherung benutzt, die idealerweise die Gesamtspannung des Batteriepacks im Falle eines Auslösens halbiert, wobei hierbei zumeist Teilspannungen von oberhalb 100 Volt verbleiben. Eine Sicherungsschaltung mit solchen Schmelzsicherungen ist beispielsweise in den Schriften DE 10 2011 082 650 A1, DE 10 2012 212 563 A1 und DE 697 38 310 T2 offenbart. Die Druckschrift DE 10 2011 082 650 A1 offenbart eine Trennvorrichtung für eine Batterie mit einer Sicherung und einem elektrischen Schaltelement, das durch Schließen die Sicherung öffnet. Die Druckschrift DE 10 2012 212 563 A1 offenbart ein Batteriesystem mit einer Sicherung, welche innerhalb des Kurzschlusspfades der Batteriezellen angeordnet ist und eine Schmelzsicherung sein kann, sowie einem Schaltmittel, das die Reihenschaltung der Batterie kurzschließen kann. Die Druckschrift DE 697 38 310 T2 offenbart eine Schutzschaltung für eine Batterieeinheit, welche mehrere Schaltelemente aufweist, die jeweils ausgebildet sind, eine elektrische Verbindung als Reaktion auf ein aktives Signal zu trennen. Ferner weist diese Schutzschaltung eine Spannungsüberwachungsschaltung auf, durch die das aktive Signal an die Schaltelemente ausgegeben wird, wenn eine Spannung wenigstens einer Batteriezelle in einem beliebigen Zellenteil außerhalb eines bestimmten Bereichs fällt. 1 zeigt eine Schutzschaltung für eine Batterie gemäß der Druckschrift DE 697 38 310 T2, welche beispielsweise in einem tragbaren elektronischen Gerät eingesetzt wird. Dargestellt ist eine Batterieeinheit 1 mit mehreren parallel geschalteten Zelleinheiten, welche wiederum mehrere in Reihe geschaltete Zellen umfassen, sowie einem ersten Stromanschluss 9 und einem zweiten Stromanschluss 10. Ferner weist diese Schutzschaltung mehrere Schaltelemente 5-8 auf, die in Reaktion auf ein Fehlersignal, beispielsweise einen Kurzschluss, die elektrische Verbindung der betroffenen Zelleneinheit trennen. Außerdem umfasst die Schutzschaltung eine Spannungsüberwachungsschaltung 2, welche ein aktives Signal erzeugt, welches durch eine interne logische Schaltung einen Vergleich durchführt, ob eine elektrische Trennung durchgeführt werden soll, d.h. ob die zur Trennung vorgesehenen Feldeffekttransistoren 6, 8 (im Ladezustand der Batterie) bzw. 5, 7 (im Entladezustand der Batterie) sperren sollen oder nicht. Zusätzlich wird als weitere Sicherung eine Schmelzsicherung 3, 4 vorgeschlagen, um bei einem Fehler in den Feldeffekttransistoren beispielsweise einem Kurzschluss, dennoch eine sichere elektrische Trennung zu ermöglichen. Durch die in der Druckschrift DE 697 38 310 T2 offenbarte doppelte Schutzschaltung wird es ermöglicht, ein sicheres Laden und Entladen der Batterie zu gewährleisten und somit eine Verschlechterung der Batterie durch zu hohe fließende Ströme zu vermeiden. Ein weiteres Beispiel aus dem Stand der Technik ist in 2 gezeigt, welche eine Trennvorrichtung für eine Batterie gemäß der Druckschrift DE 10 2011 082 650 A1 zeigt, welche beispielsweise bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt wird. Eine Trennvorrichtung umfasst eine Sicherung 40, welche beispielsweise als Thermosicherung oder als elektrische, thermisch gesteuerte Sicherung mit einem zugehörigen Widerstand 41 ausgebildet ist, sowie ein elektrisches Schaltelement 42, beispielsweise in Form eines Leistungs-Transistors. Sobald dieses Schaltelement 42 geschlossen ist, öffnet die Sicherung 40 dadurch, dass durch sie ein erhöhter Strom f