EP-3630527-B1 - VEHICLE ENERGY STORAGE

Inventors

• Lopez de Arroyabe, Jose

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20180518

Claims (3)

1. Vehicle energy storage device (2) for electrical supply of an electric drive unit (M) of a motor vehicle, which comprises: a positive potential connection (21) and a negative potential connection (22), which are connected to the drive unit (M) during intended operation of the vehicle energy storage device; a first string (23), which connects the positive potential connection (21) and the negative potential connection (22) to one another and in which at least one electrical energy storage cell (EZ) is arranged; and a second string (24 - 26), which connects the positive potential connection (21) and the negative potential connection (22) to one another in parallel to the first string (23) and in which at least one electrical energy storage cell (EZ) is likewise arranged; wherein in the first string (23) and the second string (24 - 26) at least one semiconductor switching element (27) is respectively arranged, which is controllable to interrupt a current flowing in the respective string; and the vehicle energy storage device (2) further comprises: a current measuring element (28), which is arranged in the first string (23); a current measuring element (28), which is arranged in the second string (24 - 26); a current measuring device (29) associated with the first string (23), which is connected to the current measuring element (28) arranged in the first string (23) for measuring the current flowing in the first string (23); and a current measuring device (29) associated with the second string (24 - 26), which is connected to the current measuring element (28) arranged in the second string (24 - 26) for measuring the current flowing in the second string (24 - 26); wherein the current measuring device (29) associated with the first string (24 - 26) is configured to measure the current flowing in the first string (23) and to control the semiconductor switching element (27) arranged in the first string (23) to interrupt the flowing current when the current flowing in the first string (23) exceeds a threshold value, the current measuring device (29) associated with the second string (24 - 26) is configured to measure the current flowing in the second string (24 - 26) and to control the semiconductor switching element (27) arranged in the second string (24 - 26) to interrupt the flowing current when the current flowing in the second string (24 - 26) exceeds a threshold value, characterized in that the current measuring device (29) associated with the first string (23) and the current measuring device (29) associated with the second string (24 - 26) each include an operational amplifier forming a comparator circuit, which compares the current measured via the respective current measuring element (28) with the threshold value and whose output signal controls the semiconductor switching element (27) to interrupt the flowing current when the flowing current exceeds the threshold value; and wherein the vehicle energy storage device further comprises: a switching arrangement (210), which is arranged in series with the strings arranged parallel to one another and has a semiconductor controller (213) including a driver as well as at least one further semiconductor switching element (214), wherein the semiconductor controller (213) is configured to control the further semiconductor switching element (214) in dependence on a control signal to interrupt a total current flowing through the vehicle energy storage device (2), wherein each of the current measuring devices includes a further operational amplifier, which is connected at its inputs such that its corresponding output outputting the control signal switches upon occurrence of a short-circuit current/overcurrent and thereby the driver of the semiconductor controller (213) controls the further semiconductor switching element (214) to interrupt the total current.
2. Vehicle energy storage device (2) according to claim 1, wherein in the first and/or second string a plurality of semiconductor switching elements (27) is respectively arranged, and the plurality of semiconductor switching elements (27) includes a group of semiconductor switching elements (27) connected in parallel, which are jointly controlled by the respective current measuring device (29) to interrupt the current flowing in the respective string when the current flowing in the respective string exceeds the threshold value.
3. Motor vehicle comprising a vehicle energy storage device (2) according to one of claims 1 to 2.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrzeugenergiespeicher, insbesondere einen Fahrzeugenergiespeicher zur elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeuges. Im Stand der Technik sind eine Reihe von Batteriekonfigurationen, die als Fahrzeugenergiespeicher für Kraftfahrzeuge fungieren, bekannt. Beispielsweise werden im Stand der Technik 96 Batteriezellen in Reihe geschaltet (Topologie 1). In dieser Konfiguration werden die Batteriezellen zusammen zur elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeuges verwendet. Entwicklungen von elektrischen Kraftfahrzeugen, die in jüngerer Vergangenheit aufgrund ökologischer Erwägungen und immer knapper werdenden fossilen Rohstoffen stark vorangetrieben werden, erfordern immer mehr Leistung und eine höhere Energiedichte. Um diesen Erfordernissen gerecht zu werden, kommen in zunehmendem Maße Batteriekonfigurationen mit mehreren parallel geschalteten Batteriezellen zum Einsatz. Diesbezüglich sind beispielsweise zwei verschiedene Arten von Batteriekonfigurationen bekannt. Zum einen werden vier Batteriezellen parallel geschaltet, sodass sie eine Gruppe bilden. Anschließend werden beispielsweise 96 solcher Gruppen in Reihe geschaltet (Topologie 2). Zum anderen werden beispielsweise 96 einzelne Batteriezellen in Reihe geschaltet, sodass sie einen Strang bilden. Anschließend werden vier solcher Stränge zueinander parallel geschaltet (Topologie 3). Die damit erzielte Erhöhung der Leistung und Energiedichte der Batteriekonfigurationen führt gleichermaßen zu erhöhten Kurzschlussströmen, die beispielsweise bei einem Unfall potentiell auftreten können. Bei typischen im Bereich von Kraftfahrzeugen verwendeten Spannungen in der Größenordnung von 400V betragen die Kurzschlussströme bei der zuerst erläuterten Batteriekonfiguration (Topologie 1) ca. 4000A. Um diese Kurzschlussströme zuverlässig zu trennen, werden auf dem Markt erhältliche Schütze und Sicherungen stark gefordert. Kommen weitere parallel geschaltete Batteriezellen, wie bei den zwei weiteren im Vorhergehenden erläuterten Batteriekonfigurationen (Topologie 2 und 3), hinzu, erhöhen sich die Kurzschlussströme auf bis zu 30.000A. In dieser Größenordnung der handzuhabenden Ströme kommen Schütze und Sicherungen an die Grenzen des Machbaren. Zum einen können die Schütze nicht schnell genug auslösen und müssen deshalb eine ausreichende Stromfestigkeit besitzen, bis die Sicherung anspricht. Zum anderen ist es selbst für Sicherungen schwierig, Ströme in dieser Höhe zuverlässig zu trennen. Außerdem müssen Kabelbäume und Stecker, die im Kraftfahrzeug verbaut sind, diese großen Kurzschlussströme aushalten und deshalb auch entsprechend dimensioniert werden. Vor allem sind Stecker in diesem Zusammenhang ein Problem. Dementsprechend sind im Stand der Technik andere Lösungen, die ohne Schütze und Sicherungen auskommen und solche Kurzschlussströme handhaben können, entwickelt worden. Diese Lösungen basieren auf pyrotechnischen Schaltern, die im Kurzschlussfall die Anschlüsse von der Batterie absprengen. In der Natur der Sache liegt es, dass solche pyrotechnischen Schalter nur ein einziges Mal ausgelöst werden können und anschließend einer Erneuerung bedürfen. Zu den genannten Problemen kommt noch hinzu, dass bei den erläuterten Batteriekonfigurationen, insbesondere Topologie 1 und 2, die Höhe des Auslösestromes, bei dem es zu der Auslösung der Trennung der Batterie kommt, unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors festgelegt werden muss. Der Sicherheitsfaktor liegt in einer Größenordnung von 10% und ist darin begründet, dass sich der durch die Batterie fließende Strom asymmetrisch auf die parallelen Batteriezellen verteilen kann, hierüber aber keine genaue Kenntnis besteht. Insoweit kann bei den Batteriekonfigurationen die Batterieleistung auch nicht voll ausgeschöpft werden. Weiterer Stand der Technik findet sich in den folgenden Dokumenten DE 10 2011 115550 A1, DE 10 2012 213053 A1, EP2 910 405 A1, EP 2 403 105 A2 und DE 20 2011 011 799 A1. Diese Dokumente beschreiben Batteriepacks mit Schutzvorrichtungen vor Überstrom. Das Dokument XP055933758 beschreibt eine Überstromdetektion per Operationsverstärker. Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Hauptaufgabe zugrunde, einen Fahrzeugenergiespeicher zu schaffen, der eine zuverlässige und zerstörungsfreie Trennung bei auftretenden hohen Strömen zulässt. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Nebenaufgabe zu Grunde, eine gute Ausschöpfung der zur Verfügung stehenden Batterieleistung zu ermöglichen. Die Hauptaufgabe wird mit einem Fahrzeugenergiespeicher gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Fahrzeugenergiespeicher zur elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeuges: einen Anschluss positiven Potentials und einen Anschluss negativen Potent