Titel

Verfahren zum Trennen einer Batterie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen einer Batterie, insbesondere Hochvoltbatterie, mit wenigstens zwei Batteriezellen von wenigstens einer elektrischen Komponente eines Fahrzeuges. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass beim Stoppen eines

Fahrzeuges bzw. einer elektrischen Maschine des Fahrzeuges die Batterie des Fahrzeuges von der Leistungselektronik durch ein Relais getrennt wird. Auch ist es bekannt, dass das Relais in Notfallsituationen geöffnet wird, z. B. bei einem Unfall. Üblicherweise ist dabei ein Relais in einem positiven„Highside“-Pfad und ein weiteres Relais in einem negativen„Lowside“-Pfad integriert, wobei die Pfade die beiden Leitungen bezeichnen, welche die Batterie mit der elektrischen Maschine verbinden.

Die Schrift DE 10 2015 002 069 Al offenbart eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges. Über zwei elektrische Anschlüsse kann dabei die

Batteriezelle mit weiteren Batteriezellen der Batterie verbunden werden. Es ist außerdem beschrieben, dass ein Transportzustand für die Batterie bereitgestellt werden kann.

Aus der Schrift DE 10 2012 205 395 A1 ist ein Batteriesystem mit einer Batterie, aufweisend eine Mehrzahl von Batteriemodulen bekannt. Die Schrift DE 10 2015 215 797 A1 offenbart eine Batterie mit einer integrierten Entladeschaltung.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des

unabhängigen Verfahrensanspruchs und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im

Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen

Vorrichtung, und jeweils umgekehrt, Offenbarung zu den einzelnen

Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Insbesondere unter Schutz gestellt ist ein Verfahren zum Trennen einer (insbesondere wiederaufladbaren) Batterie, vorzugsweise Hochvoltbatterie, mit wenigstens zwei Batteriezellen von wenigstens einer elektrischen Komponente, insbesondere Antriebskomponente, eines Fahrzeuges. Das Trennen erfolgt dabei vorteilhafterweise beim Ausschalten der Komponente, insbesondere der Antriebskomponente, welche vorzugsweise als ein Elektromotor bzw. als eine elektrische Maschine (E-Maschine) ausgebildet ist.

Die elektrische Komponente kann dabei als Leistungselektronik und/oder als ein elektrischer Verbraucher eines Bordnetzes des Fahrzeuges ausgeführt sein. Außerdem kann die elektrische Komponente als eine Hochvolt- Komponente und/oder als eine Antriebskomponente des Fahrzeuges ausgebildet sein, wie ein Elektromotor. Entsprechend ist es möglich, dass die Batterie als eine

wiederaufladbare Hochvoltbatterie zur Energieversorgung der Hochvolt- Komponente ausgebildet ist, um eine Fortbewegung des Fahrzeuges zu ermöglichen. Beispielhaft ist die Batterie eine 400 V oder 800 V Batterie.

Von Vorteil ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Fahrzeug als ein Personenkraftfahrzeug oder Lastkraftfahrzeug oder dergleichen ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist das Fahrzeug als ein Elektrofahrzeug ausgebildet, welches einen Hybrid-Antrieb oder ausschließlich einen elektrischen Antrieb aufweist. Entsprechend kann die Komponente eine Komponente eines Hochvolt-Antriebsstrangs einer E-Maschine des Fahrzeuges sein. Es ist daher bei derartigen Elektrofahrzeugen möglich, dass eine Topologie aus Hochvolt- Batteriepack (also die Batterie), Zwischenkreis und Leistungselektronik der E- Maschine vorgesehen ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass jeder der Batteriezellen der Batterie wenigstens zwei Schalteinheiten zugeordnet sind. In anderen Worten kann pro Batteriezelle eine Anordnung mit zwei

Schalteinheiten vorgesehen und insbesondere in die Batteriezelle integriert sein. Auch ist es möglich, dass sämtliche Batteriezellen der Batterie diese zwei Schalteinheiten aufweisen, und somit von der Komponente getrennt werden können. Dies ermöglicht ein vollständiges Trennen der Batterie von der

Komponente. Alternativ sind neben diesen Batteriezellen mit den Schalteinheiten auch andersartige Batteriezellen bei der Batterie vorgesehen, welche nicht in der erfindungsgemäß beschriebenen Weise getrennt werden können.

Erfindungsgemäß können die Batteriezellen (insbesondere jeweils in

Abhängigkeit von den jeweils wenigstens zwei Schalteinheiten) über die jeweiligen Schalteinheiten mit der Komponente elektrisch verbunden sein, sodass eine Energieversorgung durch die Batterie für die Komponente hergestellt ist. Dies ermöglicht einen Betrieb der Komponente, z. B. eine

Drehbewegung einer Antriebskomponente und/oder eine Fortbewegung des Fahrzeuges. Hingegen kann durch das Trennen von der Komponente die Energieversorgung deaktiviert werden, und somit der vorgenannte Betrieb der Komponente gestoppt werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren können die nachfolgenden Schritte für das Trennen von der Komponente durchgeführt werden, bevorzugt nacheinander in der angegebenen Reihenfolge oder in beliebiger Reihenfolge, wobei einzelne Schritte auch wiederholt durchgeführt werden können:

a) Schalten der wenigstens zwei Schalteinheiten einer ersten der Batteriezellen, b) Schalten der wenigstens zwei Schalteinheiten wenigstens einer zweiten (und ggf. einer dritten und vierten usw.) der

Batteriezellen, insbesondere schrittweise jeweils nachdem das vorangegangene Schalten erfolgt ist, vorzugsweise bis sämtliche Schalteinheiten sämtlicher Batteriezellen geschaltet wurden.

In anderen Worten können wenigstens zwei Batteriezellen der Batterie jeweils über wenigstens zwei Schalteinheiten von der wenigstens einen Komponente elektrisch getrennt werden. Das Schalten kann dabei sowohl ein Schließen als auch ein Öffnen betreffen, wobei die Schalteinheiten z. B. jeweils als

elektronische Schalteinheiten ausgebildet sind. Das Schalten betrifft also insbesondere kein mechanisches Schalten (mechanisches Öffnen oder

Schließen), sondern ein Umschalten vom Sperr- in den leitenden Zustand und/oder umgekehrt. Dies ermöglicht ein zuverlässiges und flexibles Schalten der Batteriezellen. Außerdem kann der Einsatz von Relais vermieden werden. Insbesondere ist es bei Relais bekannt, dass es aufgrund der mechanischen Trennung in der Gleichspannungsleitung zu Funkenstrecken kommen kann. Dabei ist es oft technisch aufwendig, einen hierdurch möglichen Defekt (wie ein Verkleben) des Relais zu vermeiden. Außerdem ist der Einsatz von Relais mit höheren Kosten verbunden. Auch diese Nachteile können ggf. durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zumindest reduziert werden.

Es kann vorgesehen sein, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Relais entfallen, welche die Batterie üblicherweise mit der Komponente verbinden und/oder im Highside- und/oder Lowside-Pfad integriert sind. Stattdessen können die Schalteinheiten verwendet werden, welche nicht als Relais ausgebildet sind und/oder als elektronische Schalteinheiten ausgebildet sind und/oder in die Batteriezellen integriert sind. Somit kann die Ausfallgeschwindigkeit gegenüber dem Relais reduziert werden. Auch kann der Bauraum eingespart werden.

Das Trennen und/oder die Durchführung der beschriebenen Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann z. B. dann initiiert werden, wenn eine Elektronik des Fahrzeuges einen Bedienerwunsch zum Stoppen des Motors des Fahrzeuges und/oder einen Notfall beim Fahrzeug detektiert. Von Vorteil kann es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren sein, dass das Schalten der wenigstens zwei Schalteinheiten wenigstens der zweiten (und ggf. weiteren) der Batteriezellen schrittweise durchgeführt wird, jeweils nachdem das vorangegangene Schalten erfolgt ist. In anderen Worten kann zunächst eine erste der zwei Schalteinheiten (einer bestimmten Batteriezelle) und erst nach einer Verzögerungszeit eine zweite der zwei Schalteinheiten (der bestimmten Batteriezelle) geschaltet werden. Anschließend kann ggf. dieser Schaltablauf für weitere Batteriezellen wiederholt werden. Das sequentielle Schalten der

Schalteinheiten pro Batteriezelle kann somit auch Batteriezelle für Batteriezelle sequentiell erfolgen. Auf diese Weise können Spannungs- und/oder

Stromsprünge beim Trennen reduziert werden.

Eine Schaltdauer pro Schalteinheit und/oder die Verzögerungszeit kann bspw. im Bereich von 1 ns bis 100 ns, vorzugsweise 10 ns bis 50 ns liegen. Bevorzugt ist die Schaltdauer bzw. Verzögerungszeit kleiner als 100 ns, woraus sich eine gesamte Zeitdauer für das Trennen von einigen 10 ps für die Batterie ergeben kann. Damit wird auch die Zeitdauer für das Trennen im Vergleich zum Relais verringert. Es kann somit ein verbesserter und kontrollierter sicherer Zustand erzeugt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Schritt b) erst dann nach Schritt a) und insbesondere jedes weitere schrittweise Schalten nach dem vorangegangenen Schalten erst dann durchgeführt wird, wenn eine Zuschaltbedingung vorliegt, wobei vorzugsweise das schrittweise Schalten jeweils zeit- und/oder stromabhängig erfolgt, vorzugsweise in Abhängigkeit von einer elektrischen Stromerfassung im

Strompfad der für das vorangegangene Schalten genutzten Schalteinheit. Somit kann bspw. auch das Schalten gemäß Schritt b) in Abhängigkeit von einer elektrischen Stromerfassung im Strompfad der für das Schalten gemäß Schritt a) genutzten Schalteinheit erfolgen. Vorzugsweise kann dabei die

Zuschaltbedingung ein Überschreiten oder ein Unterschreiten oder ein Erreichen einer vorbestimmten Stromstärke sein, welche insbesondere nach dem Schalten im Strompfad in der für dieses Schalten genutzten Schalteinheit erfasst wird. Weiter ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass zum Schalten der wenigstens zwei Schalteinheiten der ersten und/oder zweiten und/oder wenigstens einer weiteren der Batteriezellen jeweils die zwei Schalteinheiten sequentiell nach einer Verzögerungszeit geschaltet werden. Die Verzögerungszeit kann bspw. durch eine Elektronik der Batteriezelle vorgegeben werden (insbesondere durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalteinheiten durch die Elektronik). Eine entsprechende Elektronik ist bspw. in jede der Batteriezellen der Batterie integriert.

Es kann weiter möglich sein, dass die jeweils wenigstens zwei Schalteinheiten als zumindest eine Kopplungsschalteinheit und eine Kurzschlussschalteinheit ausgebildet sind, wobei vorzugsweise die Kopplungsschalteinheit in einen Strompfad (seriell zu) der jeweiligen Batteriezelle integriert ist, und die

Kurzschlussschalteinheit in einen Strompfad parallel zur jeweiligen Batteriezelle integriert ist, wobei vorzugsweise diese Schalteinheiten zum Trennen sequentiell geschaltet werden können. Dabei können alle Batteriezellen bzw. Schalteinheiten der Batteriezellen entsprechend dieser Anordnung ausgebildet sein. Um eine der Batteriezellen von der Komponente zu trennen, kann dabei zunächst die

Kurzschlussschalteinheit dieser Batteriezelle geschlossen und erst danach (z. B. nach einer Verzögerungszeit) die Kopplungsschalteinheit dieser Batteriezelle geöffnet werden. Dieser Vorgang kann zum vollständigen (elektrischen) Trennen der Batterie für die weiteren Batteriezellen wiederholt werden.

Unter dem Trennen kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren verstanden werden, dass das Trennen nicht im Sinne einer körperlichen Auftrennung der elektrischen Verbindung erfolgt, sondern elektrisch derart erfolgt, dass durch elektronische Schalter (wie Transistoren oder Feldeffekttransistoren) ein elektrischer Stromfluss gesperrt wird. Bei den Schalteinheiten kann es sich entsprechend um solche elektronischen Schalter, vorzugsweise

Leistungsschalter, handeln.

Auch ist es optional denkbar, dass zum jeweiligen Trennen der Batteriezellen zunächst die Kurzschlussschalteinheit der jeweiligen Batteriezelle geschaltet, insbesondere geschlossen und nach einer Verzögerungszeit die

Kopplungsschalteinheit geschaltet, insbesondere geöffnet wird. Damit ist ein zuverlässiges Trennen der Bateriezellen möglich. Dieses Schaltmuster kann sequentiell für weitere Bateriezellen wiederholt werden.

In einer weiteren Möglichkeit kann vorgesehen sein, dass zum Trennen weiterer Bateriezellen diese schritweise von der wenigstens einen Komponente getrennt werden, wobei wenigstens 5 oder wenigstens 10 oder wenigstens 20

Bateriezellen nacheinander getrennt werden. Auf diese Weise kann die durch die Baterie an die Komponente gelieferte Spannung bzw. der elektrische Strom schritweise reduziert werden.

Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn im Rahmen der Erfindung die Baterie als Hochvoltbaterie, z. B. 400 V (Volt) oder 800 V Baterie, ausgeführt ist. Alternativ oder zusätzlich können die Schalteinheiten in die Baterie integriert sein. Dies ermöglicht eine sehr platzsparende Bauweise.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Trennen einer Baterie mit wenigstens zwei Bateriezellen von wenigstens einer elektrischen Komponente eines Fahrzeuges. Hierbei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Damit bringt die erfindungsgemäße Vorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen

Bezugszeichen verwendet.

Anhand den Fig. 1 bis 3 wird schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren visualisiert, wobei die Komponente 11 insbesondere eine Antriebskomponente 11 eines Fahrzeuges 10 sein kann. Diese wird durch eine Batterie 12, insbesondere Hochvoltbatterie 12, mit Energie versorgt und damit betrieben. Hierzu kann die Batterie 12 über zwei Strompfade 15, 16 (Highside 15 und Lowside 16) mit der Komponente 11 verbunden sein.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit weiteren Einzelheiten gezeigt.

Dabei können wenigstens zwei Batteriezellen 30a, 30b der Batterie 12 über wenigstens zwei jeweilige Schalteinheiten 20a, 20b mit der wenigstens einen Komponente 11 elektrisch verbunden und somit hinzugeschaltet werden.

Es ist erkennbar, dass jeder der Batteriezellen 30 wenigstens zwei

Schalteinheiten 21 zugeordnet sind, wobei die Batteriezellen 30 jeweils in Abhängigkeit von den jeweils wenigstens zwei Schalteinheiten 21 mit der Komponente 11 elektrisch verbunden sind, sodass eine Energieversorgung durch die Batterie 12 für die Komponente 11 hergestellt ist.

Die Batterie 12 kann eine erste Batteriezelle 30a, eine zweite Batteriezelle 30b und ggf. weitere Batteriezellen 30 bis zu einer n-ten Batteriezelle 30n aufweisen. Jede dieser Batteriezellen 30 kann zumindest zwei oder genau zwei

Schalteinheiten 20 zugeordnet sein. Entsprechend können wenigstens zwei erste Schalteinheiten 20a der ersten Batteriezelle 30a, wenigstens zwei zweite Schalteinheiten 20b der zweiten Batteriezelle 30b und wenigstens zwei n-te Schalteinheiten 20n der n-ten Batteriezelle 30n zugeordnet sein, (n ist hierbei eine beliebige ganze Zahl). Die wenigstens zwei Schalteinheiten 20 pro

Batteriezelle 30 können zudem in eine Kopplungsschalteinheit 22 und eine Kurzschlussschalteinheit 23 unterteilt werden. Die Kopplungsschalteinheit 22 ist bspw. im selben Strompfad 21 integriert wie die der zugeordneten Batteriezelle 30. Die Kurzschlussschalteinheit 23 ist bspw. mit den weiteren

Kurzschlussschalteinheiten 23 in einem Strompfad integriert, welcher vom Zwischenkreis des Fahrzeuges bzw. von der Komponente 11 zu einem

Massepotential 40 führt. Die Kopplungseinheiten 22 können dabei die

zugeordnete Batteriezelle 30 mit der Komponente 11 verbinden, wohingegen die Kurzschlussschalteinheiten 23 die dieser zugeordneten Batteriezellen 30 überbrücken können.

Fig. 2 ist dabei nur repräsentativ zu verstehen, sodass auch weitere

Batteriezellen 30 vorgesehen und schrittweise hinzugeschaltet und/oder getrennt werden können, wobei nur beispielhaft wenigstens 5 oder wenigstens 10 oder wenigstens 20 Batteriezellen 30 nacheinander hinzugeschaltet und/oder anschließend wieder getrennt werden können. Insbesondere kann die zumindest eine jeweilige Schalteinheit 20 wenigstens eine Kopplungsschalteinheit 22 und eine Kurzschlussschalteinheit 23 umfassen, welche der jeweiligen Batteriezelle 30 zugeordnet ist, und welche zum Hinzuschalten und/oder Trennen dieser Batteriezelle 30 wechselseitig umgeschaltet werden kann.

Gemäß Fig. 3 wird zunächst zum besseren Verständnis der Erfindung ein schrittweises Hinzuschalten und anschließend ein schrittweises Trennen visualisiert. Dabei ist ein beispielhafter Verlauf einer Spannung 2 sowie eines elektrischen Stroms 3 im Strompfad zwischen der Batterie 12 und der

Komponente 11 über die Zeit t gezeigt.

Das Hinzuschalten bzw. das Trennen können jeweils erst dann erfolgen, wenn eine Zuschaltbedingung bei dem vorangegangenen Hinzuschalten bzw. Trennen vorliegt. Dazu kann das schrittweise Hinzuschalten bzw. Trennen jeweils in Abhängigkeit von einer elektrischen Stromerfassung im Strompfad, der für dieses Hinzuschalten bzw. Trennen genutzten Schalteinheit 20, durchgeführt werden.

Das Hinzuschalten kann z. B. solange erfolgen, bis eine Gesamtspannung U durch eine Spannung 2 der Batterie 12 erreicht ist.

Bei einem ersten Hinzuschalten la kann dabei zunächst die (in Fig. 2 gezeigte) Schalteinheit S2_n geschlossen und Sl_n geöffnet werden. Es kann sodann eine Zeitdauer abgewartet werden, bis der Strom 3 abgeklungen (d. h. auf 0 Ampere geblieben) ist. Auf diese Weise wird die maximale Stromstärke des Stroms 3 begrenzt. Dies kann z. B. zeitgesteuert oder stromgesteuert durch eine Elektronik in der Batterie 12 durchgeführt werden. Anschließend kann bei einem zweiten Hinzuschalten lb die Schalteinheit S2_2 geschlossen und die

Schalteinheit Sl_2 geöffnet werden. Ebenfalls nach dem Vorliegen der

Zuschaltbedingung, also insbesondere der Zeitdauer, kann ein drittes

Hinzuschalten lc erfolgen. Das Hinzuschalten kann mehrfach für die weiteren Batteriezellen 30 durchgeführt werden, bis zu einem n-ten Hinzuschalten ln, bei welchem eine Schalteinheit S2_l geschlossen und eine Schalteinheit Sl_l geöffnet wird. Die Schalteinheiten, welche einer gemeinsamen Batteriezelle 30 zugeordnet sind, können dabei ggf. wechselseitig geöffnet werden. Wenn alle Schalter Sl_l bis Sl_n geöffnet sind und entsprechend alle Schalter S2_l bis S2_n geschlossen sind, liegt die volle Zwischenkreisspannung an und die Leistungselektronik kann den E-Motor 11 bzw. die Komponente 11 starten.

Um anschließend zum Stoppen des E-Motors 11 und/oder im Notfall eine Trennung der Batterie 12 von der Komponente 11 zu ermöglichen, kann gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein Schalten der wenigstens zwei Schalteinheiten 21 einer ersten Batteriezelle 30a der Batteriezellen 30, und dann ein Schalten der wenigstens zwei Schalteinheiten 21 wenigstens einer zweiten Batteriezelle 30b der Batteriezellen 30 erfolgen. Das Schalten kann dabei auch für weitere Batteriezellen 30 durchgeführt werden, sodass zunächst ein erstes Trennen 2a der ersten Batteriezelle 30a erfolgt, indem die Schalteinheit Sl_l geschlossen und nach einer Verzögerungszeit die Schalteinheit S2_l geöffnet wird. Anschließend kann die Schalteinheit Sl_2 geschlossen und S2_2 geöffnet werden, um ein zweites Trennen 2b für die zweite Batteriezelle 30b der Bateriezellen 30 durchzuführen. Ein drites Trennen 2c kann entsprechend für eine weitere Bateriezelle 30 durchgeführt werden. Zuletzt kann ein n-tes Trennen durch das Schließen der Schalteinheit Sl_n und Öffnen der

Schalteinheit S2_n (insbesondere nach der Verzögerungszeit) bewirkt werden. Insbesondere wird somit das Trennen der Bateriezellen 30 in der umgekehrten

Reihenfolge durchgeführt wie das Hinzuschalten.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.