Titel

Batteriesvstem mit externem Stromkreis

Stand der Technik

Fahrzeuge, die eine Elektromaschine zum Antrieb enthalten, benötigen auch einen Energiespeicher, der üblicherweise eine Ausgangsspannung von ≥ 60 V DC bzw. 25 V AC aufweist. Bei solch hohen Spannungsquellen werden besondere Anforderungen an den Schutz von Personen gefordert, so dass entsprechende Schutzmaßnahmen vorgesehen werden.

Üblicherweise wird daher ein Überstromschutz mit Hilfe von Schmelzsicherungen realisiert. Auf diese Weise werden die Leitungen innerhalb des Traktionsnetzes gegen Überhitzung und somit gegen Brand geschützt.

Tritt innerhalb des Energiespeichers ein Kurzschluss auf, beispielsweise durch eine Perforation eines Separators, so kann man diesen mit oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren nicht erkennen.

Durch einen Kurzschluss innerhalb einer Batterie kann die Batterie oder eine Batteriezelle in einen kritischen Zustand gelangen. In einer Batterie oder Batteriezelle im kritischen Zustand findet ein ungewöhnlicher Temperatur- und Druckanstieg statt. Die Folge ist häufig ein sog. „Durchbrennen" der Batterie oder der Batteriezelle, welches zur Zerstörung und sogar zur Explosion der Batterie führen kann.

Eine bekannte Quelle für einen lokalen Kurzschluss innerhalb einer Lithium- Ionen Batterie basiert auf einer Dendritenbildung im Lithium-Ionen-Akkumulator. Wenn ein Dendrit eine bestimmte Größe erreicht hat, kann der Dendrit die Separatorfolie durchdringen und perforieren. Diese Perforation führt dann zu einem Kurzschluss innerhalb der Batterie. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung ein Batteriesystem bereitzustellen das die Folgen eines Kurzschlusses innerhalb der Batterie vermindert oder begrenzt.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung eines Batteriesystems, umfassend: a) eine Batterie mit einer oder mehreren Zellen; b) eine Mess- und Steuereinheit, die die Temperatur und/oder die Spannung einzelner, mehrerer oder aller Batteriezellen kontinuierlich oder periodisch bestimmt; c) einen externen Stromkreis, der mit den Polen der Batterie über einen oder mehrere Schalter elektrisch leitend verbindbar ist, so dass Strom von einem Batteriepol über den externen Stromkreis zum anderen Batteriepol fließen kann; wobei die Steuereinheit die Stellung des oder der Schalter derart steuert, dass, bei Überschreitung einer vorher festgelegten Wärmeleistung und/oder bei Überschreitung einer vorher festgelegten Spannungsabnahmerate, der externe Stromkreis mit den Batteriepolen leitend verbunden wird.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Folgen eines internen Kurzschlusses innerhalb einer Batterie vermindert werden. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist einen externen Stromkreis auf, der erst dann leitend mit den Batteriepolen verbunden wird, sobald Anzeichen für einen internen Kurzschluss detektiert werden. Sobald der externe Stromkreis eingekoppelt worden ist, kann ein Strom von der Batterie über den externen Stromkreis fließen. Die leitenden Teile des externen Stromkreises erwärmen sich. Dadurch wird Energie aus der Batterie mit dem Kurzschluss entzogen und steht nicht mehr zur Verfügung, um in der Batterie weiteren Schaden zu verursachen. Die Wärmeentwicklung die unweigerlich beim Kurzschluss entsteht, wird somit von der Kurzschlussregion auf die gesamte Batteriezelle oder Batterie und den externen Stromkreis verteilt. Durch die erfindungsgemäße Lösung kommt es auch zu einer Reduktion der absoluten Entladezeit der Batteriezelle oder der Batterie. Dadurch kommt es am Ort des Kurzschlusses zu einer insgesamt verringerten absoluten Höchsttemperatur.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist eine oder mehrere Batterien auf, wobei eine Batterie jeweils eine oder mehrere Zellen aufweisen kann. Unter einer Batterie kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeder Energiespeicher verstanden werden, der eine Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichert. Insbesondere sind darunter Energiespeicher zu verstehen, die eine oder mehrere in Reihe und gegebenenfalls auch parallel geschaltete Akkumulator- und/oder Batteriezellen enthalten. Bevorzugte elektrochemische Energiespeicher können Akkumulatorzellen, insbesondere vom Typ Pb - Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 - Nickel-Wasserstoff- Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion - Lithium-Ionen- Akku, LiPo - Lithium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li-Mn - Lithium- Mangan-Akku, LiFePO ₄ - Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium- Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-Eisen- Akku, Na/NiCI - Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie-Batterie SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox- Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku aufweisen. Der Energiespeicher kann eine oder mehrere Zellen aufweisen. Bevorzugt weist die Batterie mindestens eine Lithium-Ionen-Zelle auf.

Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist mindestens einen externen Stromkreis auf, der mit den Polen der Batterie über einen oder mehrere Schalter elektrisch leitend verbindbar ist, so dass Strom von einem Batteriepol über den externen Stromkreis zum anderen Batteriepol fließen kann. Der externe Stromkreis weist bevorzugt ein Material mit guter Konduktivität auf, bevorzugt von > 10 ⁶ S/m (bei 25°C), besonders bevorzugt von > 10 ^* 10 ⁶ S/m, ganz besonders bevorzugt von > 50 ^* 10 ⁶ S/m. Das Material mit besonders guter Konduktivität kann beispielsweise Kupfer sein oder ein Material mit einer Konduktivität, die nicht schlechter ist als die von Kupfer.

Der externe Stromkreis weist einen oder mehrere Schalter auf. Die Schalter sind dabei derart ausgestaltet und positioniert, dass über die Stellung der Schalter ein Stromfluss von einem ersten Batteriepol über den externen Stromkreis hin zu einem zweiten Batteriepol regel- und/oder steuerbar hergestellt und/oder unterbrochen werden kann. Dabei liegen die Schalter in einer Stellung vor, die einen solchen Stromfluss unterbricht und werden erst geschlossen, wenn ein entsprechendes Signal von der Mess- und Steuereinheit ausgesandt wird. Grundsätzlich können alle regel- und/oder steuerbaren Schaltertypen verwendet werden, die in elektrischen Schaltungen einsetzbar sind. Der Fachmann hat keine Schwierigkeiten Schaltertypen und -dimensionen auszuwählen, die in Kombination mit einer ausgewählten Batterie eingesetzt werden können. Insbesondere kann ein Relais als Schalter eingesetzt werden. Solange das Batteriesystem im Normalbetrieb oder im Ladebetrieb läuft, liegen die Schalter bevorzugt offen vor und unterbrechen einen Stromfluss über den externen Stromkreis.

Bevorzugt weist der externe Stromkreis neben einem oder mehreren Schaltern und leitenden Verbindungen im Wesentlichen keine weiteren elektrischen Verbraucher auf.

Der externe Stromkreis kann bevorzugt einen Widerstand Re aufweisen, der niedriger ist, als der Widerstand Rs eines standardisierten Kurzschlusses für eine Batterie gleichen Typs und gleicher Dimensionierung wie die im Batteriesystem verwendete Batterie. Dadurch wird erreicht, dass der Strom bevorzugt über den externen Stromkreis fließt und nicht über den Ort des batterieinternen Kurzschlusses. Der Wert eines standardisierten Kurzschlusses Rs kann nicht absolut für alle Batteriesysteme angegeben werden, sondern ist von Batterietyp zu Batterietyp unterschiedlich und hängt bei gleichem Batterietyp von der Dimensionierung der verwendeten Batterie ab. Der Fachmann hat keine Schwierigkeiten für eine bestimmte Batterie bekannten Typs und bekannter Dimensionierung den Wert eines standardisierten Kurzschlusses Rs zu bestimmen. Dazu kann der Fachmann Batterien gleichen Typs und gleicher Dimensionierung unter verschiedenen, standardisierten Kurzschlussbedingungen auf den jeweils erzielbaren Rs-Wert testen. Bevorzugt werden die Batterien gleichen Typs und gleicher Dimensionierung unter standardisierten Bedingungen getestet, wobei die Bedingungen an den jeweiligen, zu erwartenden Betriebsbedingungen der zu verwendenden Batterie orientiert sind. Der Wert eines standardisierten Kurzschlusses Rs kann dann beispielsweise als arithmetisches Mittel aller oder ausgewählter gemessenen Rs-Werte ausgedrückt werden. Der Wert eines standardisierten Kurzschlusses Rs kann aber auch dem niedrigsten, unter den jeweils zulässigen Batteriebetriebsbedingungen zu erwartenden oder gemessenen Widerstandswert eines Batteriekurzschlusses entsprechen oder darauf basieren.

Bevorzugt liegt der externe Stromkreis isoliert von der Batterie vor. Dabei kann der externe Stromkreis von der Batterie wärmeisoliert sein, und/oder feuerbeständig getrennt vorliegen. Batterie, Mess- und Steuereinheit und/oder externer Stromkreis können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, wobei der externe Stromkreis eine Isolierung und/oder eine Vorrichtung zur mindestens teilweisen Kühlung des externen Stromkreises umfassen kann.

Der externe Stromkreis kann mindestens teilweise gekühlt ausgestaltet sein. Dabei kann grundsätzlich jedes Kühlprinzip genutzt werden. Bevorzugt weist der e- lektrische Stromkreis eine Luftkühlung, eine Flüssigkeitskühlung und/oder einen oder mehrere Latentwärmespeicher auf. Die Grundfunktion eines Latentwärmespeichers besteht darin, Wärme aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben. Dabei zeichnet sich ein Latentwärmespeicher dadurch aus, dass ein Phasenübergang zwischen einer festen Phase und einer flüssigen Phase bei zunehmendem Wärmeeintrag nicht kontinuierlich verläuft. Die Temperatur eines Latentwärmespeichers im festen Zustand nimmt bei steigendem Wärmeeintrag kontinuierlich zu. Ab einer bestimmten Schwellentemperatur T _schm ei _z bleibt die Temperatur des Latentwärmespeichers trotz weiter zunehmenden Wärmeeintrags konstant, bis zum vollständigen Schmelzen des Mediums im Latentwärmespeicher, und steigt erst danach wieder weiter an. Geeignete Latentwärmespeicher sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere können Latentwärmespeicher eingesetzt werden, die Paraffin enthalten oder ähnliche Verbindungen.

Das Batteriesystem weist mindestens eine Mess- und Steuereinheit auf, die derart ausgestaltet ist, dass die Temperatur und/oder die Spannung einzelner, mehrerer oder aller Batteriezellen kontinuierlich oder periodisch bestimmbar ist. Geeignete Temperatur- und/oder Spannungsmessvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Dabei können die Messfunktion und die Steuerfunktion in zwei voneinander getrennt vorliegenden Vorrichtungen verwirklicht sein oder zu einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst vorliegen. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet und in dem Batteriesystem positioniert, dass sie die Stellung des oder der Schalter steuern kann. Bei Überschreitung einer vorher festgelegten Wärmeleistung und/oder bei Überschreitung einer vorher festgelegten Spannungsabnahmerate, steuert die Steuereinheit die Stellung des oder der Schalter derart, dass der externe Stromkreis mit den Batteriepolen leitend verbunden wird und ein Stromfluss hergestellt wird von einem ersten Batteriepol über den externen Stromkreis hin zu einem zweiten Batteriepol.

Absolute Werte für die vorher festgelegte Wärmeleistung und/oder Spannungsabnahmerate lassen sich nicht für alle erfindungsgemäßen Batteriesysteme verbindlich angeben und hängen vom ausgewählten Batterietyp, der ausgewählten Batteriedimensionierung und/oder ggf. vom Betriebszustand ab. Der Fachmann hat keine Schwierigkeiten für eine ausgewählte Batterie entsprechende Werte für die Wärmeleistung und/oder Spannungsabnahmerate festzulegen. Bevorzugt sind für die vorher festgelegte Wärmeleistung und/oder Spannungsabnahmerate Werte ausgewählt, die bei einem Kurzschluss, nicht aber während eines Normalbetriebs oder eines Ladevorgangs der verwendeten Batterie auftreten. Dabei können der oder die Werte derart festgelegt werden, dass bei einer Überschreitung eines oder beider Werte mit einer signifikanten Wahrscheinlichkeit ein interner Kurzschluss in der Batterie oder einer Batteriezelle vorliegt. Bevorzugt sind die Werte so ausgewählt, dass die Wahrscheinlichkeit bei mehr als 80% liegt, besonders bevorzugt bei mehr als 95%, ganz besonders bevorzugt bei mehr als 99%.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen elektrischen Verbraucher, der ein erfindungsgemäßes Batteriesystem enthält. Dabei kommt es nicht darauf an, dass Verbraucher und Batteriesystem eine bauliche Einheit bilden, sondern, dass Verbraucher und erfindungsgemäßes Batteriesystem derart funktional in Kontakt stehen, dass das Batteriesystem den Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen kann. Insbesondere kann der Verbraucher ein Kraftfahrzeug sein. Dabei sind unter dem Begriff „Kraftfahrzeug" alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die eine Batterie zur Energieversorgung von mindestens einer Komponente des Kraftfahrzeugs aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Kraftfahrzeug" HEV (elektri- sche Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahr- zeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die eine Batterie zur mindestens teilweisen Versorgung mit elektrischer Energie einsetzen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.

Fig. 2 zeigt die Wärmeleistung (W) eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit externem Stromkreis bei einem Stromfluss über den externen Stromkreis von 200 A/m ² und einem Durchmesser des Kurzschlusses von 4,62 μm. Dabei ist heat_internal = Summe der Wärmeleistung am Ort des Kurzschlusses und Wärmeleistung der ganzen Batteriezelle; heat_short = Wärmeleistung am Ort des Kurzschlusses; heat_gen = Wärmeleistung der ganzen Batteriezelle; heat_external = Wärmeleistung des externen Stromkreises; heat_trans_internal = Wärmetransfer aus der Batteriezelle zum Ort des Kurzschlusses; heat_trans_surround = Wärmetransfer von der Umgebung zur Batteriezelle.

Fig. 3 zeigt die Wärmeleistung (W) eines Batteriesystems ohne externen Stromkreis bei einem Durchmesser des Kurzschlusses von 4,62 μm (Bezeichnung wie bei Fig. 2).

Fig. 4 zeigt die Temperatur ( ⁰ C) und die Spannung (V) über die Zeit in der Batteriezelle und am Ort des Kurzschlusses bei einem Durchmesser des Kurzschlusses von 4,62 μm. Dabei ist Cell temp, i=0: Temperatur der Batteriezelle ohne externen Stromkreis; Cell temp, i=200A/m ² : Temperatur der Batteriezelle mit externem Stromkreis bei einem Stromfluss von 200 A/m ² ; Short temp, i=0: Temperatur am Ort des Kurzschlusses ohne externen Stromkreis; Short temp, i=200 A/m ² : Temperatur am Ort des Kurzschlusses mit externem Stromkreis bei einem Stromfluss von 200 A/m ² ; Voltage, i=0: Spannung während des Kurzschlusses ohne exter- nen Stromkreis; Voltage, i=200 A/m : Spannung während des Kurzschlusses mit externem Stromkreis bei einem Stromfluss von 200 A/m ² .

Fig. 5 zeigt die elektrochemische Energie (Wh), die freigesetzt wird bei einem bei einem Durchmesser des Kurzschlusses von 4,62 μm. Dabei ist i=0: gesamte elektrochemische Energie ohne externen Stromkreis; i=200 A/m ² : gesamte elektrochemische Energie mit externem Stromkreis bei einem Stromfluss von 200 A/m ² ; internal only, i=200 A/m ² : intern freigesetzte elektrochemische Energie mit externem Stromkreis bei einem Stromfluss von 200 A/m ² .

Bezugszeichenliste:

1 Batteriesystem

2 Batterie mit Plus- und Minuspol

3 externer Stromkreis mit Widerstand Re

4 Schalter

5 Mess- und Steuereinheit

6 interner Kurzschluss mit Widerstand Rs

Beispielhafte Ausführungsform der Erfindung:

In Fig. 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems gezeigt. Das Batteriesystem 1 weist eine Batterie 2 mit zwei Polen, einem Plus- und einem Minuspol, auf. Die Pole der Batterie 2 sind über einen Schalter 4 mit einem externen Stromkreis 3 verbunden. Der externe Stromkreis 3 weist einen Widerstand Re auf. Im Normalbetrieb und/oder im Ladebetrieb der Batterie 2 liegt der Schalter 4 geöffnet vor, so dass ein Stromfluss zwischen Batterie 2 und externem Stromkreis 3 unterbrochen ist. Des weiteren weist das Batteriesystem 1 eine Mess- und Steuereinheit 5 auf, die die Temperatur und die Spannung der Batterie 2 über die Zeit misst. Tritt in der Batterie 2 ein interner Kurzschluss 6 mit einem Widerstand Rs auf, so steigt die Temperatur in der Batterie 2 plötzlich an und die Spannung über die Batterie 2 nimmt plötzlich ab. Bei Überschreitung einer vorher festgelegten Wärmeleistung und/oder bei Überschreitung einer vorher festgelegten Spannungsabnahmerate veranlasst die Mess- und Steuereinheit 5 die Schließung des Schalters 4 und der externe Stromkreis 3 wird mit den Polen der Batterie 2 leitend verbunden. Nun kann mindestens ein Teil der Energie der Zelle über den angeschlossenen externen Stromkreis 3 aus der Batterie 2 abgezogen werden. Ist der Widerstand Rs > Re, so fließt der Strom sogar bevorzugt über den externen Stromkreis 3 und die Folgen des internen Kurzschlusses 6 für die Batterie 2 werden vermindert.

Simulation eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einem Kurzschlussdurchmesser von 4,62 μm (entspricht einem Widerstand Rs von 0,01 Ohm m ² ):

Die Simulation wurde mit dem „Dualfoil" Modell nach Doyle et al. (M. Doyle, T. F. Füller and J. Newman, J. Electrochem. Soc. 140 (1993), 1526) und Füller et al. (T.F. Füller, M. Doyle and J. Newman, J. Electrochem. Soc. 141 (1994), 1 ; T.F. Füller, M. Doyle and J. Newman, J. Electrochem. Soc. 141 (1994), 982) gerechnet. Die dabei verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Parameter für die Berechnung der Simulation Die Ergebnisse der Simulation sind in den Figuren Fig. 2 bis Fig. 5 zusammenge- fasst. In Fig. 2 und 3 ist die freigesetzte Wärmeleistung dargestellt für ein Modell mit externem Stromkreis (Fig. 2) und ohne externen Stromkreis (Fig. 3). Es zeigt sich, dass die Zuschaltung eines externen Stromkreises dazu führt, dass die am Ort des Kurzschlusses freigesetzte Wärmeleistung verringert wird. Wie in Fig. 4 gezeigt führt dies auch zu einer verringerten maximalen Temperaturspitze am Ort des Kurzschlusses. Die freigesetzte Wärmeleistung der ganzen Batteriezelle nimmt durch den externen Stromkreis zu, ist aber nun über die gesamte Batteriezelle verteilt und am Ort des Kurzschlusses weniger konzentriert. Die Zuschaltung eines externen Stromkreises reduziert auch signifikant die absolute Entladezeit der Batteriezelle. D.h. die absolute Energiemenge, die in der Batteriezelle freigesetzt wird ist reduziert (siehe Fig. 5, internal only-Kurve), was wiederum zu einem verringerten Temperaturanstieg am Ort des Kurzschlusses führt. Fig. 5 zeigt auch, dass die absolute Energieentwicklungskurve für eine Zelle mit externem Stromkreis einen steileren Anstieg aufweist. Da die absolute Energie der beiden Zellen konstant und gleich ist, ist die absolute Entladezeit bei einer Batteriezelle mit einem externen Stromkreis deutlich verkürzt.

Insgesamt führt die Zuschaltung eines externen Stromkreises zu einer Reduktion der absoluten Entladezeit und zu einer Verringerung der absoluten Temperaturspitze am Ort des Kurzschlusses. Die Wärmeentwicklung wird von einem lokalen Ort des Kurzschlusses nun auf die gesamte Zelle und den externen Stromkreis verteilt. Die Gefahr einer weiteren Schädigung bzw. Gefährdung des Systems und der Umwelt durch den Kurzschluss ist somit verringert.