Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug zum Versorgen von zumindest einer Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs. Der elektrische Energiespeicher weist mehrere miteinander verschaltete Speichereinheiten auf, welche jeweils zumindest eine Speicherzelle aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher für Kraftfahrzeuge. Diese können beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden und versorgen zumindest eine Fahrzeugkomponente, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine, mit Energie. Energiespeicher weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Speicherzellen auf und verfügen in der Regel über Fehlerstromtrennvorrichtungen für speicherextern auftretende Kurzschlüsse. Außerdem können speicherintern passive Trennelemente vorgesehen sein, welche im Falle einer sich ausbreitenden, beispielsweise fehlerstrombedingten, Hitzeentwicklung, auslösen. Dabei kann es jedoch aufgrund bestimmter geometrischer Anordnungen der Speicherzellen zueinander vorkommen, dass Fehlerströme innerhalb des Energiespeichers nicht über die Trennelemente fließen, sondern über parasitäre Fehlerstrompfade, sodass diese Fehlerströme nicht durch die Trennelemente unterbrochen werden können. Außerdem können die parasitären Strompfade über einen Undefinierten elektrischen Widerstand verfügen, sodass die Fehlerströme deutlich niedriger sein können als der Nennstrom des elektrischen Energiespeichers. Dadurch ist eine entsprechende Auslegung der Trennelemente nicht möglich. Diese nicht erkannten Fehlerströme können, auch im stromlosen Zustand des elektrischen Energiespeichers, lokal zu kritischen Heißpunkten führen und ein thermisches Ereignis des Energiespeichers zur Folge haben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung bereitzustellen, wie Fehlerströme innerhalb eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug besonders zuverlässig erkannt und getrennt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.

Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug dient zum Versorgen von zumindest einer Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs. Der elektrische Energiespeicher weist zumindest zwei geometrisch nebeneinander verlaufende Speicherstränge mit jeweils mehreren verschalteten Speichereinheiten auf, welche jeweils zumindest eine Speicherzelle aufweisen. Außerdem weist der elektrische Energiespeicher zumindest einen Strangverbinder zum seriellen Verbinden der Speicherstränge mit einer Trenneinrichtung zum Erkennen und Unterbrechen eines durch eine unerwünschte elektrische Verbindung zwischen zwei Speichersträngen und den zumindest einen Strangverbinder gebildeten Fehlerstromkreises auf. Die Trenneinrichtung weist eine steuerbare Trenneinheit zum Trennen des zumindest einen Strangverbinders und einen Stromsensor zum Erfassen eines über den zumindest einen Strangverbinder fließenden Strangstromes auf. Darüber hinaus weist der elektrische Energiespeicher eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, anhand des erfassten Strangstromes den Fehlerstromkreis zu erkennen und die Trenneinheit zum Unterbrechen des Fehlerstromkreises anzusteuern.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher und zumindest einer mit dem Energiespeicher elektrisch verbundenen Fahrzeugkomponente. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und dient als Traktionsbatterie für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Die zumindest eine Fahrzeugkomponente kann beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine sein, welche von der Traktionsbatterie mit elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs versorgt wird. Der elektrische Energiespeicher weist mehrere Speichereinheiten bzw. Batterieeinheiten auf, welche in Strängen angeordnet sind. Dies bedeutet insbesondere, dass die Speichereinheiten innerhalb eines Stranges geometrisch linear, also in einer Reihe oder eine Spalte, angeordnet sind. Die Speichereinheiten sind dabei innerhalb des Stranges vorzugsweise seriell verschaltet. Die Speichereinheiten weisen jeweils zumindest eine Speicherzelle bzw. Batteriezelle auf. Beispielsweise kann jede Speichereinheit auch eine Verschaltung mehrerer Speicherzellen aufweisen. Vorzugsweise sind die Speicherzellen als Rundzellen ausgebildet. Die Speicherzellen können aber auch als prismatische Zellen oder Pouchzellen ausgebildet sein.

Die Stränge sind dabei elektrisch seriell verschaltet, verlaufen aber geometrisch nebeneinander. Insbesondere weisen die Stränge dieselbe Erstreckungsrichtung auf und laufen parallel zueinander. Durch diese geometrische Anordnung der Speichereinheiten innerhalb eines jeweiligen Stranges sowie der Stränge zueinander weist jede Speichereinheit insbesondere zumindest eine benachbarte Speichereinheit im selben Speicherstrang und zumindest eine benachbarte Speichereinheit in einem benachbarten Speicherstrang auf. Der elektrische Energiespeicher kann außerdem zumindest ein Temperierelement zum Temperieren der Speicherzellen aufweisen, welches sich quer zu der Erstreckungsrichtung der Stränge durch den Energiespeicher hindurch erstreckt. Im Falle von Rundzellen sind insbesondere mehrere Temperierelemente in Form von streifenförmigen, gewellten Temperierschlangen vorgesehen, welche bereichsweise anliegend an zylindrischen Zellgehäusen der Speicherzellen angeordnet sind. Die Temperierelemente können beispielsweise ein Fluid zum Abtransportieren der Abwärme der Speicherzellen und/oder zum Transportieren von Heizwärme zu den Speicherzellen führen.

Zum Verschalten der Stränge ist der zumindest eine Strangverbinder vorgesehen. Dieser kann beispielsweise als eine metallische Stromschiene ausgebildet sein. Der Strangverbinder verbindet zwei quer zur Erstreckungsrichtung benachbarte Enden zweier benachbarter Stränge. Ein erster und ein letzter Strang des elektrischen Energiespeichers sind mit Anschlüssen in Form von einem Pluspol und einem Minuspol des elektrischen Energiespeichers verbunden. Im Falle, dass der elektrische Energiespeicher zumindest drei nebeneinander verlaufende Stränge aufweist, verläuft ein Gesamtstrom pfad des elektrischen Energiespeichers geometrisch mäanderförmig von einem Anschluss des elektrischen Energiespeichers durch die Verschaltung an Speichereinheiten zu dem anderen Anschluss des elektrischen Energiespeichers.

Aufgrund dieser speziellen Anordnung der Stränge zueinander kann es vorkommen, dass parasitäre, unerwünschte Fehlerstrompfade zwischen zwei, unmittelbar benachbarten oder auch beabstandeten, Strängen gebildet werden. Ein solcher Fehlerstrompfad kann beispielsweise aus einer fehlerhaften Isolierung des zumindest einen Temperierelementes resultieren. Das zumindest eine Temperierelement weist üblicherweise einen metallischen Fluidleiter auf, welcher aufgrund der anliegenden Anordnung des Temperierelementes an den metallischen Zellgehäusen der Speicherzellen eine Isolierschicht aufweist. Wenn diese an zwei Stellen im Bereich von zwei parallel verlaufenden Strängen fehlerhaft ist, so kann über den metallischen Fluidleiter der parasitäre Fehlerstrompfad zwischen diesen Strängen gebildet werden. Auch können auf andere Weise, beispielsweise durch elektrisch leitende, sich im Energiespeicher ablagernde Partikel parasitäre Strompfade zwischen zwei Strängen gebildet werden. Über einen solchen parasitären Strompfad sowie dem zumindest einen, die Stränge verbindenden Strangverbinder wird ein parasitärer Fehlerstromkreis gebildet, in welchem auch im stromlosen, beispielsweise von der zumindest einen Fahrzeugkomponente abgekoppelten, Zustand des elektrischen Energiespeichers ein Fehlerstrom zirkulieren kann. Dieser speicherinterne Fehlerstrom kann zu einer lokalen Überhitzung und damit zu einem thermischen Ereignis zumindest einer Speicherzelle führen, was schlimmstenfalls ein thermisches Durchgehen des gesamten elektrischen Energiespeichers zur Folge haben kann.

Um dies zu verhindern, wird der Fehlerstromkreis bei Erkennen des Fehlerstrompfades unterbrochen. Dazu weist insbesondere jeder Strangverbinder des elektrischen Energiespeichers eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare Trenneinrichtung auf. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise in ein speicherinternes oder speicherexternes Steuergerät integriert sein oder als ein separates Steuergerät ausgebildet sein. Jede Trenneinrichtung weist zumindest eine steuerbare Trenneinheit auf. Die steuerbare Trenneinheit ist vorzugsweise als eine Pyrosicherung ausgebildet. Eine solche Pyrosicherung weist beispielsweise eine Zündeinheit bzw. Zündkapsel auf, welche ein Trennelement zum mechanischen Trennen des Strangverbinders aktiviert. Die Zündkapsel kann von der Steuereinrichtung gezündet werden. Außerdem weist jede Trenneinrichtung einen Stromsensor auf, welcher den über den Strangverbinder fließenden Strangstrom erfasst. Anhand des erfassten Strangstromes kann erkannt werden, ob ein parasitärer Strompfad vorhanden ist, welcher von diesem Strang zu einem anderen Strang führt.

Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher einen Gesamtstromsensor zum Erfassen eines durch die Verschaltung der Stränge fließenden Gesamtstroms aufweisen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den Strangstrom mit dem Gesamtstrom zu vergleichen und den Fehlerstromkreis zu erkennen, falls der Strangstrom um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert von dem Gesamtstrom abweicht. Da die Stränge seriell verschaltet sind, müssten im fehlerfreien Zustand die Strangströme dem Gesamtstrom entsprechen. Falls zumindest einer der Strangströme von diesem Gesamtstrom abweicht, ist dies ein Indiz für das Vorliegen eines Fehlerstromkreises. Alternativ oder zusätzlich zum Vergleich mit dem Gesamtstrom kann im Falle von zumindest drei seriell verschalteten Speichersträngen die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Strangströme miteinander zu vergleichen, anhand des Vergleiches zumindest einen Fehlerstromkreis zu erkennen und die Trenneinheit des jeweiligen Strangverbinders zum Unterbrechen des betreffenden Fehlerstromkreises anzusteuern. Da bei der Serienschaltung im fehlerfreien Fall auch die Strangströme gleich sein müssten, kann der Fehlerstromkreis auch anhand einer Abweichung der Fehlerströme untereinander und/oder zu dem Gesamtstrom erkannt werden. Daraufhin wird von der Steuereinrichtung das Trenneinheit desjenigen Strangverbinders angesteuert, welcher den von dem Gesamtstrom abweichenden Strangstrom führt. Dadurch wird der über diesen Strangverbinder führenden Fehlerstromkreis getrennt und ein thermisches Durchgehen des elektrischen Energiespeichers kann zuverlässig verhindert werden.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der elektrische Energiespeicher eine Schutzvorrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, bei Erkennung des Fehlerstromkreises zusätzlich einen Stromfluss zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der zumindest einen Fahrzeugkomponente zu unterbrechen. Die Schutzvorrichtung ist dazu ausgelegt, den elektrischen Energiespeicher stromlos zu schalten. Beispielsweise kann die Schutzvorrichtung in die Steuereinrichtung integriert sein und ein Signal an die zumindest eine Fahrzeugkomponente schicken, sodass diese die Stromentnahme aus dem elektrischen Energiespeicher beendet. Auch kann die Schutzvorrichtung eine Schmelzsicherung und/oder eine steuerbare Schalteinrichtung, beispielsweise mit Schaltschützen, aufweisen, welche die Anschlüsse des elektrischen Energiespeichers von der Verschaltung aus Strängen und/oder von Anschlüssen der zumindest einen Fahrzeugkomponente trennt. Mittels der Schutzvorrichtung kann verhindert werden, dass der Strom über den Fehlerstrompfad der Verschaltung weitergeführt wird.

Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ausgestaltung eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug; und

Fig. 2 mögliche Fehlerstromkreise des elektrischen Energiespeichers gemäß Fig. 1.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1, welcher beispielsweise als eine wiederaufladbare Traktionsbatterie bzw. ein Traktionsakkumulator für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendet werden kann. Der elektrische Energiespeicher 1 weist Anschlüsse A+, A- auf, über welche der elektrische Energiespeicher 1 mit zumindest einer Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs verbunden werden kann. Der elektrische Energiespeicher 1 weist hier vier seriell verschaltete Speicherstränge S1, S2, S3, S4 auf, welche geometrisch nebeneinander bzw. parallel verlaufend angeordnet sind. Jeder Speicherstrang S1, S2, S3, S4 weist mehrere Speichereinheiten 2 auf, welche hier jeweils eine Speicherzelle 3 aufweisen. Die Speichereinheiten 2 und somit die Speicherzellen 3 sind seriell verschaltet. Der erste Speicherstrang S1 ist mit dem ersten Anschluss A+, hier dem Pluspol, des elektrischen Energiespeichers 1 verbunden und der vierte Speicherstrang S4 ist mit dem zweiten Anschluss A-, hier dem Minuspol, des elektrischen Energiespeichers 1 verbunden. Der erste und der zweite Strang S1 , S2 sind über einen ersten Strangverbinder C1 seriell verbunden. Der zweite und der dritte Strang S2, S3 sind über einen zweiten Strangverbinder C2 seriell verbunden und der dritte und der vierte Strang S3, S4 sind über einen dritten Strangverbinder C3 seriell verbunden. Die Stränge S1 , S2, S3, S4 und die Strangverbinder C1, C2, C3 bilden eine mäanderförmige Anordnung der Speichereinheiten 2 aus.

Der elektrische Energiespeicher 1 weist hier außerdem mehrere Temperierelemente 4 auf, welche quer zur Erstreckungsrichtung der Stränge S1 , S2, S3, S4 angeordnet sind und bereichsweise an Zellgehäusen der Speicherzellen 3 anliegen. Die Temperierelemente 4 können Fehlerstellen 5, beispielsweise eine fehlerhafte Isolierung, aufweisen, durch welche unerwünschte elektrische Verbindungen bzw. Fehlerstrompfade zwischen zwei Speichersträngen S1, S2, S3, S4 gebildet werden können. Beispielsweise kann eine erste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Strang S1 , S2 gebildet werden, welche mit dem ersten Strangverbinder C1 einen ersten Fehlerstromkreis K1 ausbildet. Auch kann eine zweite Verbindung zwischen dem dritten und dem vierten Strang S3, S4 gebildet werden, welche mit dem dritten Strangverbinder C3 einen zweiten Fehlerstromkreis K2 ausbildet. Ein dritte, zwischen dem zweiten und dem dritten Strang S2, S3 gebildete Verbindung kann gemeinsam mit dem zweiten Strangverbinder C2 einen dritten Fehlerstromkreis K3 ausbilden. Eine vierte Verbindung zwischen dem ersten und dem vierten Strang S1, S4 kann gemeinsam mit den Strangverbindern C1, C2, C3 einen vierten Fehlerstromkreis K4 ausbilden. Die Fehlerstromkreise K1 , K2, K3, K4 sind in Fig. 2 gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber sind die Temperierelemente 4 in Fig. 2 nicht gezeigt. Innerhalb dieser Fehlerstromkreise K1 , K2, K3, K4 kann ein jeweiliger Fehlerstrom zirkulieren. Dieser speicherintern zirkulierende Fehlerstrom muss nicht zwangsläufig einen kritischen Wert aufweisen, er kann jedoch nicht über die Anschlüsse A+, A- aus dem elektrischen Energiespeicher 1 abfließen und somit zu lokalen Überhitzungen innerhalb des elektrischen Energiespeichers 1 führen.

Daher weisen die Strangverbinder C1 , C2, C3 jeweils eine Trenneinrichtung T1, T2, T3 auf. Jede T renneinrichtung T1 , T2, T3 weist einen Stromsensor 11, I2, I3 zum Erfassen eines über den Strangverbinders C1, C2, C3 fließenden Strangstroms auf. Außerdem weist jede Trenneinrichtung T1, T2, T3 eine steuerbare Trenneinheit F1, F2, F3 auf, welche beispielsweise als eine Pyrosicherung ausgebildet sein kann. Die Sensordaten der Stromsensoren 11, I2, I3 können von einer Steuereinrichtung 6 empfangen werden, welche auch die Trenneinheiten F1 , F2, F3 ansteuern kann. Außerdem weist der elektrische Energiespeicher 1 hier einen Gesamtstromsensor I4 auf, welcher den Gesamtstrom des elektrischen Energiespeichers 1 erfassen kann.

Die Steuereinrichtung 6 kann nun die Strangströme der Stromsensoren 11 , I2, I3 miteinander und mit dem Gesamtstrom des Stromsensors I4 vergleichen. Wenn beispielsweise der Strangstrom des ersten Stromsensors 11 von den Strangströmen der anderen Stromsensoren I2, I3 sowie von dem Gesamtstrom des Gesamtstromsensors I4 abweicht, wird der erste Fehlerstromkreis K1 erkannt und die erste Trenneinheit F1 zum Trennen des ersten Strangverbinders C1 und damit zum Unterbrechen des ersten Fehlerstromkreises K1 angesteuert. Wenn beispielsweise der Strangstrom des zweiten Stromsensors I2 von den Strangströmen der anderen Stromsensoren 11, I3 sowie von dem Gesamtstrom des Gesamtstromsensors I4 abweicht, wird der zweite Fehlerstromkreis K2 erkannt und die zweite Trenneinheit F2 zum Trennen des zweiten Strangverbinders C2 und damit zum Unterbrechen des zweiten Fehlerstromkreises K2 angesteuert. Wenn beispielsweise der Strangstrom des dritten Stromsensors 13 von den Strangströmen der anderen Stromsensoren 11 , 12 sowie von dem Gesamtstrom des Gesamtstromsensors 14 abweicht, wird der dritte Fehlerstromkreis K3 erkannt und die dritte Trenneinheit F3 zum Trennen des dritten Strangverbinders 03 und damit zum Unterbrechen des dritten Fehlerstromkreises K3 angesteuert. Wenn beispielsweise die Strangströme aller Stromsensoren 11 , I2, I3 von dem Gesamtstrom des Gesamtstromsensors I4 abweicht, wird der vierte Fehlerstromkreis K4 erkannt und zumindest eine der T renneinheiten F1 , F2, F3 zum T rennen zumindest eines Strangverbinders 01 , 02, 03 und damit zum Unterbrechen des vierten Fehlerstromkreises K4 angesteuert.

Wenn zumindest einer der Fehlerstromkreise K4 erkannt wurde, kann zusätzlich eine Schutzvorrichtung 7, beispielsweise eine Sicherung, zum stromlos Schalten des elektrischen Energiespeichers 1 angesteuert werden.