B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherungssystem zum Schutz, insbesondere Überstromschutz, bei einem Batteriesystem. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Batteriesystem, ein Batteriemanagementsystem sowie ein Verfahren zum Schutz bei dem Batteriesystem. Lithiumbatterien (d. h. Lithium-Ionen-Akkumulatoren) sind leistungsfähige Akkumulatoren mit einer hohen Energiedichte. Allerdings weisen Lithiumbatterien üblicherweise einen geringen Innenwiderstand auf, sodass ohne geeignete Maßnahmen enorme Kurzschlüsse bzw. Überströme entstehen können. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit, um Kurzschlüsse zu unterbinden, ist der Einsatz einer irreversiblen Sicherung, wie einer Schmelzsicherung, als Überstromschutz. Diese kann in den Hauptstrompfad integriert werden, um bei einem Überstrom den Stromfluss des Batteriesystems zu unterbinden. Eine solche Sicherung ist in den Leistungsklassen von Lithiumbatterien allerdings relativ kostenaufwendig, da hohe Abschaltleistungen bereitgestellt werden müssen. Zudem muss gewährleistet werden, dass zwischen dem normalen Betriebsstrom (innerhalb eines Betriebsbereiches des Batteriesystems) und dem Auslösestrom (welcher zur Auslösung der Sicherung führt) ein ausreichend großer Abstand vorhanden ist. Dieses wird durch die Auswahl einer Sicherung mit geeigneter Auslösecharakteristik ermöglicht.

Dies kann allerdings zu dem Problem führen, dass für viele Anwendungsfälle die Sicherungskennlinie der Sicherung nicht geeignet ist. So kann die Sicherungskennlinie einer Schmelzsicherung einen kritischen Bereich aufweisen, in welchem sehr hohe Ströme notwendig sind, um die Sicherung auszulösen. Hierbei besteht die Gefahr, andere Bauelemente im Strompfad durch die hohen Ströme zu zerstören. Des Weiteren kann die Sicherungskennlinie auch einen weiteren kritischen Bereich aufweisen, in welchem die Gefahr von Fehlauslösungen besteht. Ferner haben viele Typen von Sicherungen den Nachteil, dass diese eine zu langsame Ansprechzeit haben.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und/oder schnellere und/oder leistungsfähigere Sicherung zum Überstromschutz für Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Batteriesysteme, bereitzustellen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Sicherungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8, durch ein Batteriemanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. 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 Sicherungssystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem, dem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Sicherungssystem zum Schutz, vorzugsweise zum Überstromschutz, bei einem Batteriesystem (d. h. insbesondere mit Akkumulatoren als wiederaufladbare Batterien), mit:

einem (insbesondere irreversiblen) Sicherungselement zur (insbesondere irreversiblen und/oder zumindest teilweisen) Unterbrechung eines elektrischen Strompfades (insbesondere Stromkreises) bei dem Batteriesystem,

- einer Erfassungseinheit (insbesondere mit einem Shunt-Widerstand, welcher im Strompfad integriert ist) zur Ermittlung (wenigstens) einer Erfassungsinformation, welche zumindest für einen elektrischen Strom des Strompfades spezifisch ist, d.h. insbesondere eine Aussage über eine Stromstärke des elektrischen Stroms ermöglicht, welcher im Strompfad fließt,

- einer elektronischen Verarbeitungseinheit zur Durchführung eines Vergleichs der Erfassungsinformation mit einer (anpassbaren, ggf. nicht-linear oder linear anpassbaren und/oder nicht-linear oder linear oder stufig ausgeführten) Sicherungsvorgabe, um vorzugsweise einen Überstromzustand zu detektieren, d. h. insbesondere einen Fehlerzustand bei dem Batteriesystem, welcher bspw. auf einen (drohenden) Kurzschluss hindeutet.

Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit mit dem Sicherungselement in (insbesondere elektrischer) Wirkverbindung steht, d. h. bevorzugt (ggf. zumindest teilweise elektrisch) mit dem Sicherungselement verbunden ist, bspw. über wenigstens einen elektrisch leitenden Anschluss der Verarbeitungseinheit, um vorzugsweise das Sicherungselement in Abhängigkeit von dem Vergleich auszulösen, sodass bevorzugt die Unterbrechung bei positiver Detektion des Überstromzustands gemäß einer (anpassbaren und/oder linearen oder nicht-linearen, insbesondere stufigen) Auslösecharakteristik (des Sicherungssystems bzw. des Sicherungselements) erfolgt, um besonders bevorzugt die Unterbrechung durch das Sicherungselement bei Detektion des Überstromzustands primär und/oder irreversibel durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass durch das Sicherungssystem eine besonders leistungsfähige Sicherung für das Batteriesystem bereitgestellt werden kann, welche eine zuverlässige und schnelle Auslösung bei Detektion des Überstromzustands ermöglicht. Insbesondere wird hierbei die Leistungsfähigkeit dadurch erhöht, dass eine anpassbare Auslösecharakteristik durch die anpassbare Sicherungsvorgabe bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine flexible und kostengünstige Anpassung der Sicherung an verschiedene Anwendungsfälle oder auch an komplexe Betriebsbereiche des Batteriesystems.

Dabei ist vorzugsweise die Sicherungsvorgabe anpassbar und/oder linear oder nicht-linear, insbesondere stufig, ausgeführt, bevorzugt dadurch, dass die Sicherungsvorgabe wenigstens eine anpassbare und/oder lineare oder nicht-lineare, insbesondere stufige, Sicherungskennlinie (für die Auslösestromstärken) umfasst.

Bspw. ist hierbei die Erfassungsinformation ein elektrisches und/oder digitales oder analoges Signal, wie bspw. eine digitale Information oder eine Messspannung, welche vorzugsweise proportional zur Stromstärke des (zu messenden) elektrischen Stroms im Strompfad ist. Entsprechend kann die Erfassungsinformation dazu genutzt werden, um einen (vorhandenen und/oder drohenden) Überstrom, d. h. den Überstromzustand, zu detektieren. Bevorzugt umfasst das Batteriesystem wenigstens einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Lithiumakkumulator (auch: Lithium-Ionen-Batterie oder Lithiumbatterie), welcher über den Strompfad (Stromkreis) mit wenigstens einer Last elektrisch zur Energieübertragung verbunden ist. Insbesondere bildet damit der Strompfad zumindest einen Teil des Laststromkreises, und vorzugsweise verbindet das Sicherungselement (sowie ggf. wenigstens ein Halbleiterschaltelement) den Energiespeicher mit der Last.

Unter einem elektrischen Energiespeicher wird insbesondere eine Batterie, d. h. vorzugsweise ein wiederaufladbarer, insbesondere elektrochemischer, Energiespeicher und/oder eine Sekundärbatterie verstanden. Der Energiespeicher kann somit mehrfach geladen und entladen werden, wobei bspw. die chemischen Reaktionen zur Energieerzeugung reversibel verlaufen. Die Verarbeitungseinheit ist bspw. als ein integrierter Schaltkreis und/oder als ein Mikroprozessor und/oder als ein Mikrocontroller und/oder dergleichen ausgeführt, und vorzugsweise in einem Batteriemanagementsystem vorgesehen. Vorzugsweise kann die Verarbeitungseinheit direkt oder indirekt elektrisch mit der Erfassungseinheit verbunden sein. Bevorzugt umfasst die Erfassungseinheit wenigstens einen Shunt-Widerstand, welcher im Strompfad integriert ist. Dabei kann der Shunt- Widerstand den Strom durch den Strompfad (Systemstrom) in eine Messspannung umwandeln (wobei die Messspannung am Widerstand abfällt).

Der Shunt-Widerstand kann bspw. über wenigstens ein weiteres elektronisches Bauteil mit der Verarbeitungseinheit verbunden sein. Das wenigstens eine weitere Bauteil kann z. B. eine Verstärkereinheit, insbesondere eine Verstärkerschaltung, und/oder eine Wandlereinheit, insbesondere ein Analog-Digital-Wandler, sein. Die Verstärkereinheit bereitet bspw. die Messspannung auf, sodass diese durch die Wandlereinheit aufgenommen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Wandlereinheit auch Teil der Verarbeitungseinheit, bspw. eines Mikrocontrollers, sein. Auf diese Weise kann die Verarbeitungseinheit die Messspannung erfassen und auswerten. Die Messpannung und/oder das Ausgangssignal der Verstärkereinheit und/oder der Wandlereinheit bildet bspw. die Erfassungsinformation. Mit anderen Worten kann das Signal die Erfassungsinformation bilden, welches durch die Verarbeitungseinheit zur Auswertung der Messspannung erfasst wird. Somit umfasst die Erfassungsinformation eine Information über die Messspannung und damit auch über die zu messende Stromstärke (Systemstrom) im Strompfad. Über ein Computerprogramm (bzw. Softwareroutinen) der Verarbeitungseinheit kann dann der Systemstrom mit der Sicherungsvorgabe verglichen (abgeglichen) werden. Der Vergleich kann dazu genutzt werden, um vorgegebene Bedingungen zu prüfen. Wenn diese erfüllt sind, also der Überstromzustand positiv detektiert wird, kann das Sicherungselement ausgelöst werden, um den Batteriestrom (z. B. von der Last) zu trennen. Hierzu kann die Verarbeitungseinheit über eine Treibereinheit mit dem Sicherungselement (elektrisch) verbunden sein.

Optional können dabei die Elemente Shunt-Widerstand (Shunt) und/oder Verstärkereinheit und/oder Verarbeitungseinheit und/oder Treibereinheit und/oder Sicherungselement in einem Batteriemanagementsystem bereits vor der Implementierung des Sicherungssystems vorhanden sein und/oder neben der Funktion als Sicherungssystem noch eine weitere zusätzliche Funktion für das Batteriemanagement bereitstellen. Durch die Nutzung einer solchen Mehrfachfunktionalität können Kosten und Bauraum bei dem Batteriemanagementsystem reduziert werden.

Vorteilhafterweise kann dabei eine anpassbare (und/oder lineare oder nicht-lineare, insbesondere stufige) Auslösecharakteristik genutzt werden, d. h. das Sicherungssystem löst das Sicherungselement in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen aus, welche (z. B. manuell durch eine Programmierung und/oder Konfiguration, vor und/oder während des Betriebs des Batteriesystems) ggf. innerhalb bestimmter Grenzen festgelegt und/oder verändert werden können. Bspw. werden die Bedingungen durch die Anpassung der Sicherungsvorgabe bestimmt, welche bspw. eine oder mehrere anpassbare (konfigurierbare) Sicherungskennlinien umfasst. Die Sicherungskennlinien spezifizieren bspw., bei welchen Stromstärkegrenzwerten (d. h. Auslösestromstärken) eine Auslösung des Sicherungselements erfolgt. Auch ist es denkbar, dass neben der Stromstärke noch weitere Parameter genutzt werden, um die Bedingungen festzulegen. Dies ermöglicht einen sehr flexiblen Einsatz des Sicherungssystems als Überstromschutz. Der Überstromzustand kann dabei einen Zustand umfassen, bei welchem ein Überstrom bzw. ein Kurzschluss vorliegt und/oder auch einzutreten droht. Bspw. kann im Überstromzustand auch eine bestimmte Stromverlaufscharakteristik im erlaubten Strombereich (des Betriebsbereichs) vorliegen, welcher allerdings aufgrund vorbestimmter Kriterien als Überstromzustand zu qualifizieren ist, welche bspw. einen drohenden Überstrom oder Kurzschluss indizieren. Es ist auch denkbar, dass der Überstromzustand anhand solcher komplexen Kriterien detektiert wird, welche bspw. ein bestimmtes Muster oder bestimmte Merkmale im Verlauf definieren. Ein solches Kriterium bzw. Merkmal kann bspw. auch als (mathematische) Funktion vorgegeben werden, an welche sich für eine positive Detektion der Verlauf der Stromstärke innerhalb einer bestimmten Toleranz annähern muss. Hierbei ist eine anpassbare Auslösecharakteristik (aufgrund der anpassbaren Sicherungsvorgabe) besonders vorteilhaft, da auch solche komplexen Zusammenhänge genutzt werden können, um einen drohenden Überstrom zu detektieren. Ein weiterer Vorteil im Rahmen der Erfindung ist erzielbar, wenn die Verarbeitungseinheit dazu ausgeführt ist, bei der positiven Detektion des Überstromzustands anhand des Vergleichs primär das Sicherungselement auszulösen, um die Unterbrechung des Strompfades durch das Sicherungselement durchzuführen. Dies stellt einen Unterschied dar zu einer weiteren Variante, bei welcher bei detektiertem Überstromzustand primär zunächst eine andere Primärsicherung ausgelöst wird, und nur sekundär (redundant) z. B. bei einem Fehler der Primärsicherung die Auslösung des Sicherungselements erfolgt. Hingegen hat die primäre Auslösung des Sicherungselements den Vorteil, dass bei einer kritischen Situation des Batteriesystems wie dem Vorliegen des Überstromzustands mit geringer (schnellerer) Ansprechzeit und zuverlässiger die Unterbrechung des Strompfades erfolgen kann. Somit kann auch auf eine zusätzliche Schmelzsicherung zu diesem Zweck verzichtet werden.

Es ist ferner denkbar, dass das Sicherungselement als irreversibles Sicherungselement ausgeführt ist, sodass das Sicherungselement nur irreversibel zur Unterbindung des elektrischen Stroms durch die Verarbeitungseinheit auslösbar ist. Dies ermöglicht eine zuverlässige und dauerhafte Unterbindung des Stromflusses.

Der Ausdruck „irreversibel" bzw. „irreversibel auslösbar" bezieht sich im Rahmen der Erfindung insbesondere darauf, dass (nur) ein impulsartiger Initiierungsstrom bzw. Energiestoß notwendig ist, um das Sicherungselement von einem geschlossenen in einen dauerhaft geöffneten (aktivierten) Schaltzustand zu bringen (und damit die Auslösung zu bewirken). Diese Auslösung kann bspw. durch die Verarbeitungseinheit dadurch bewirkt werden, dass durch die Verarbeitungseinheit eine Treibereinheit angesteuert wird, welche den Initiierungsstrom bzw. Energiestoß beim Sicherungselement auslöst und/oder bereitstellt. Insbesondere kann dabei nach dem Wegfall der Energieversorgung (des Initiierungsstroms) das Sicherungselement stabil im geöffneten, aktivierten Schaltzustand verbleiben. Dies hat den Vorteil, dass nur ein geringer Energieaufwand notwendig ist, um das Sicherungselement zu schalten. Dabei ist auch nach dem Wegfall der Energieversorgung gewährleistet, dass der Stromkreis unterbrochen und/oder der Stromfluss unterbunden ist.

Der Ausdruck „irreversibel" bezieht sich damit insbesondere auch auf einen elektrischen bzw. elektrisch angesteuerten Schalter mit stabilem Schaltzustand. Somit kann das Sicherungselement bspw. als pyrotechnischer Schalter und/oder als bistabiles Relais ausgebildet sein. Entsprechend kann das Sicherungselement ggf. nur für ein einmaliges Schalten (Auslösen) ausgebildet sein, sodass ein erneutes Schließen des Stromkreises durch das Sicherungselement verhindert ist (wohingegen dies bei einem „reversiblen" Schalten möglich ist).

Optional kann es vorgesehen sein, dass die Sicherungsvorgabe als digital gespeicherte Information ausgeführt ist, und vorzugsweise in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter des Batteriesystems anpassbar, insbesondere programmierbar, ausgeführt ist, wobei die Anpassung vorzugsweise linear oder nicht-linear oder stufig erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass eine flexible Anpassung des Sicherungssystems möglich ist. Hierbei kann die Sicherungsvorgabe bspw. digital in einem nicht-flüchtigen Datenspeicher des Batteriesystems, vorzugsweise des Batteriemanagementsystems, bevorzugt der Verarbeitungseinheit, gespeichert sein. Die Anpassung kann dabei bspw. manuell oder automatisch (auch ggf. im Betrieb des Batteriesystems) erfolgen. Vorzugsweise kann der wenigstens eine Parameter zumindest einen der nachfolgenden Parameter umfassen:

- wenigstens eine Eigenschaft eines Halbleiterschaltelements eines Batteriemanagementsystems, insbesondere eine Kenngröße, vorzugsweise eine Kurzschlussfestigkeit, sodass die Auslösecharakteristik an die Eigenschaft angepasst wird,

- wenigstens eine Temperatur bei dem Batteriesystem und/oder der Umgebung, sodass die Auslösecharakteristik an die Temperatur angepasst wird,

- einen Anwendungsmodus des Batteriesystems und/oder Batteriemanagementsystems, sodass die Auslösecharakteristik an bestimmte

Anwendungen angepasst wird,

- eine Betriebsdauer des Batteriesystems.

Hierzu kann die Erfassungseinheit zur Erfassung wenigstens einer der genannten Parameter ausgeführt sein, und/oder wenigstens eine weitere Erfassungseinheit hierzu vorgesehen sein. Ferner ist es denkbar, dass die Sicherungsvorgabe wenigstens eine Sicherungskennlinie umfasst, welche für die Auslösecharakteristik des Sicherungssystems spezifisch ist, und welche vorzugsweise variabel an einen Betriebsbereich des Batteriesystems anpassbar ist, bevorzugt manuell durch eine Programmierung und/oder Konfiguration der Verarbeitungseinheit. Bevorzugt weist die Sicherungskennlinie einen linearen oder nichtlinearen oder stufigen Verlauf auf, um die lineare bzw. nicht-lineare bzw. stufige Anpassung zu bewirken. Bspw. umfasst die Sicherungskennlinie einen Wert oder unterschiedliche Werte für Auslöseströme (Auslösestromstärken), bspw. in Abhängigkeit von wenigstens einem weiteren Parameter des Batteriesystems, wie einer Betriebsdauer oder einer Temperatur oder dergleichen. Mit anderen Worten kann die Sicherungskennlinie vorgeben, bei welchen Parameter-Werten welcher Auslösestrom genutzt wird, d. h. insbesondere der Überstromzustand positiv detektiert wird. Auch kann bei einer linearen Sicherungskennlinie lediglich ein fester (konstanter) Wert für den Auslösestrom vorgesehen sein, auch für unterschiedliche Werte des weiteren Parameters wie der Betriebsdauer, um so die Stabilität bei einem entsprechenden Betriebsbereich zu gewährleisten. Der Auslösestrom ist dabei bspw. die Stromstärke, welche durch den Strom durch den Strompfad erreicht werden muss, damit der Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand, positiv detektiert wird. Dies kann durch den Vergleich durch die Verarbeitungseinheit festgestellt werden. Der Betriebsbereich umfasst bspw. wenigstens einen zulässigen Wertebereich (oder unterschiedliche zulässige Wertebereiche) wenigstens eines Parameters des Batteriesystems, in welchem ein Normalzustand (d. h. insbesondere kein Überstromzustand) vorliegt. Es können bspw. auch mehrere zulässige Wertebereiche vorliegen, welche mit bestimmten Bedingungen verknüpft sind (z. B. abhängig von einer Betriebsdauer oder einer Temperatur des Batteriesystems). Bspw. können die zulässigen Wertebereiche ggf. nur anhand komplexer Vorschriften ermittelt werden, welche ggf. mehrere Parameter berücksichtigen. Dies hängt damit zusammen, dass sich die zulässigen Wertebereiche auch während des Betriebs und/oder in Abhängigkeit von den Parametern (wie der Batteriesystem- und/oder Umgebungstemperatur und/oder der Eigenschaften der genutzten Komponenten des Batteriesystems und insbesondere des Batteriemanagementsystems) verändert können. Die anpassbare (variable) Sicherungskennlinie hat daher den Vorteil, dass eine Adaption des Sicherungssystems und der Auslösecharakteristik an den Betriebsbereich (welcher ggf. selbst veränderbare zulässige Wertebereiche umfassen kann) erfolgen kann, z. B. für unterschiedliche Betriebsdauern oder unterschiedliche Komponenten. Bei einem Unter- und/oder Überschreiten der zulässigen Wertebereiche kann dabei ein Fehlerzustand, insbesondere ein Überstromzustand, vorliegen. Weiter ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Sicherungsvorgabe mehrere anpassbare Sicherungskennlinien umfasst, welche vorzugsweise voneinander unterschiedlich an einen Betriebsbereich des Batteriesystems anpassbar sind, um insbesondere die positive Detektion des Überstromzustands für mehrere Wertebereiche und/oder Parameter des Betriebsbereiches durch den Vergleich mit den jeweiligen Sicherungskennlinien durchzuführen. Mit anderen Worten kann durch eine individuelle Anpassung der Sicherungskennlinien die Auslösecharakteristik an den (komplexen) Betriebsbereich angeglichen (angenähert) werden. Somit kann insbesondere wenigstens eine Sicherungskennlinie für jeweils einen Parameter und/oder Wertebereich bereitgestellt werden. Bspw. sind mehrere Wertebereiche vorgesehen, welche z. B. für unterschiedliche Betriebsmodi (Anwendungen) unterschiedliche Stromstärke-Bereiche umfassen, in denen ein Normalbetrieb (Normalzustand) vorliegt. Entsprechend können die Sicherungskennlinien an diese Bereiche angepasst werden, ggf. auch nicht-linear oder stufig oder linear angepasst werden, sodass ein Überschreiten der Sicherungskennlinien (d. h. bspw. der dadurch bereitgestellten Auslösestromstärken durch die gemessene Stromstärke bzw. durch die Erfassungsinformation über die Stromstärke) die positive Detektion bewirkt. Auch können ggf. weitere Parameter berücksichtigt werden, wie die Betriebsdauer, die Spannung, der Ladezustand oder die Temperatur bei dem Batteriesystem.

Bspw. kann beim Vergleich die erfasste (gemessene) Stromstärke, welche durch die Erfassungsinformation bereitgestellt wird, mit einem Grenzwert (z. B. Auslösestromstärke) verglichen werden, welcher durch die Sicherungsvorgabe bereitgestellt wird. Überschreitet dann die Stromstärke den Grenzwert, kann dies die positive Detektion (z. B. des Überstromzustands) bewirken. Auch können ggf. mehrere Grenzwerte in der Sicherungsvorgabe vorgesehen sein, wobei bspw. ein aktueller (gemessener) Wert wenigstens eines der weiteren Parameter bestimmt, welcher Grenzwert für den Vergleich berücksichtigt wird. Auch für diese Entscheidung kann ggf. der Wert des weiteren Parameters mit einem Grenzwert (z. B. der Sicherungsvorgabe) verglichen werden. Es kann von Vorteil sein, wenn im Rahmen der Erfindung das Sicherungselement als pyrotechnischer Schalter ausgebildet ist, und vorzugsweise durch eine Zündung einer Sprengladung des pyrotechnischen Schalters aktivierbar ist. Der pyrotechnische Schalter weist dabei nach der Aktivierung einen stabilen und irreversiblen Schaltzustand auf. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck„irreversibel" insbesondere darauf, dass nach dem Auslösen bzw. Aktivieren des Sicherungselements die Funktionalität des Sicherungselements zum Schalten irreversibel zerstört ist, sodass ein erneutes Schließen des Stromkreises (des Energiespeichers) durch das Sicherungselement, insbesondere den pyrotechnischen Schalter, unmöglich ist. Dabei ist der pyrotechnische Schalter bzw. das Sicherungselement vorzugsweise als Trennschalter ausgebildet, welcher/welches eine vollständige galvanische Trennung des Stromkreises ermöglicht. Zur Ansteuerung des Sicherungselements kann vorzugsweise eine Treibereinheit vorgesehen und elektrisch mit dem Sicherungselement verbunden sein. Die Treibereinheit erzeugt dabei einen Energiestoß, insbesondere einen Zündstrom, welcher das Sicherungselement aktiviert/auslöst. Der Energiestoß bewirkt dabei bspw. die Auslösung einer Sprengeinheit des insbesondere als pyrotechnischer Schalter ausgebildeten Sicherungselements, wodurch ein Bolzen durch einen perforierten Leiter getrieben wird. Der Leiter ist insbesondere ein elektrischer Leiter, welcher mit den Kontakten des Sicherungselements derart verbunden ist, dass er ein Bestandteil des Stromkreises des Batteriesystems ist.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch die Auslösung der Sprengeinheit bzw. der Aktivierung des Sicherungselements der Stromfluss durch den Strompfad bzw. Leiter unterbrochen wird, wodurch auch der Stromfluss des Stromkreises des Batteriesystems unterbunden und/oder der Stromkreis irreparabel unterbrochen wird. Zum erneuten Schließen des Stromkreises nach Aktivierung des Sicherungselements kann somit ein Austausch des Sicherungselements notwendig sein. Das Sicherungselement ist daher insbesondere derart in den Stromkreis des Batteriesystems integriert, dass der Leiter bzw. die Kontakte des Sicherungselements einen Teil des Stromkreises bilden und diesen im deaktivierten Schaltzustand des Sicherungselements schließen und im aktivierten Schaltzustand öffnen. Hierbei ist der Vorteil, dass nur im Schaltfall zur Aktivierung eine elektrische Leistung zur Zündung aufgebracht werden muss. Im Normalbetrieb erfolgt daher keine und/oder nur eine geringe Leistungsaufnahme des pyrotechnischen Schalters. Eine geringe Stromaufnahme wird somit dadurch gewährleistet, dass nur bei einer Aktivierung, also im Schaltfall, eine (wesentliche) elektrische Leistung zur Zündung aufgebracht werden muss. Der pyrotechnische Schalter ist kostengünstig und weist ferner eine hohe Strombelastbarkeit auf, da die Kontakte vor der Zündung form- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem, insbesondere ein Lithium- Batteriesystem. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Batteriesystem wenigstens einen wiederaufladbaren Energiespeicher umfasst, vorzugsweise wenigstens eine Lithiumbatterie (Lithiumakkumulator), welcher über einen elektrischen Strompfad mit einer Last (Verbraucher) verbindbar ist. Des Weiteren kann das Batteriesystem wenigstens ein Batteriemanagementsystem umfassen, welches zumindest zur Überwachung und/oder Regelung eines Stromflusses des Strompfades dient. Außerdem kann das Batteriesystem ein elektronisches Sicherungssystem (insbesondere elektronische Überstromschutzeinrichtung) zum Überstromschutz bei dem Batteriesystem umfassen, insbesondere ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem, vorzugsweise als eine elektronische Überstromschutzeinrichtung. Damit bringt das erfindungsgemäße Batteriesystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem beschrieben worden sind. Vorzugsweise umfasst das Batteriesystem zumindest eine oder mehrere Zellen und/oder ein oder mehrere Zellpakete. Bevorzugt weist das Batteriesystem zumindest ein Zellpaket mit mindestens 8 Zellen und/oder maximal 16 Zellen und/oder maximal 24 Zellen auf. Durch eine Zusammenschaltung der Zellen ist eine besonders einfache und kostengünstige Skalierung des Batteriesystems möglich. Das Batteriesystem, insbesondere als wiederaufladbares Batteriesystem, weist vorzugsweise zumindest einen wiederaufladbaren Energiespeicher auf. Bei einem Lithium-(lonen-)Batteriesystem ist dabei zumindest eine wiederaufladbare Lithiumbatterie als Energiespeicher vorgesehen. Die maximale Ausgangsspannung und/oder Leerlaufspannung und/oder Nennspannung des Batteriesystems beträgt z. B. maximal 12 V und/oder 26 V und/oder 50 V. Weiter liegt die Nennspannung der einzelnen Zellen im Bereich von 2 bis 5 V, insbesondere 2,9 bis 3,7 V. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein (elektronisches) Batteriemanagementsystem zur Überwachung und Regelung bei einem Batteriesystem, insbesondere einem erfindungsgemäßen Batteriesystem, aufweisend: wenigstens ein Halbleiterschaltelement, vorzugsweise wenigstens einen Leistungshalbleiterschalter, zur Steuerung eines Stromflusses bei dem Batteriesystem,

wenigstens ein elektronisches Sicherungssystem, bspw. als eine elektronische Überstromschutzeinrichtung, insbesondere ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem, zur Detektion eines Fehlerzustands, insbesondere eines Überstromzustands, bei dem Batteriesystem.

Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass bei einer positiven Detektion des Fehlerzustands bzw. Überstromzustands (insbesondere primär) ein Sicherungselement des Sicherungssystems zur (insbesondere irreversiblen) Unterbindung des Stromflusses auslösbar ist. Damit bringt das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriesystem beschrieben worden sind.

Es ist ferner denkbar, dass bei dem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem eine Überwachungseinheit vorgesehen ist, um eine Fehlfunktion bei dem Sicherungssystem des Batteriemanagementsystems zu detektieren, sodass vorzugsweise bei positiver Detektion der Fehlfunktion das Batteriesystem in einen sicheren Zustand überführbar ist, bevorzugt durch eine Aktivierung des wenigstens einen Halbleiterschaltelements zur Unterbindung des Stromflusses. Hierzu ist die Überwachungseinheit bspw. mit der Verarbeitungseinheit und/oder mit der Erfassungseinheit und/oder einer weiteren Erfassungseinheit elektrisch verbunden, um die Überwachung des Batteriesystems und Detektion der Fehlfunktion durchzuführen. Weiter kann die Überwachungseinheit mit weiteren Komponenten des Batteriemanagementsystems, wie einer Elektronik des Batteriemanagementsystems, verbunden sein, um das Halbleiterschaltelement anzusteuern. Dies ermöglicht es, bei einer Fehlfunktion des Sicherungssystems dennoch eine Unterbrechung des Stromflusses zu erzielen. Weiter kann es auch möglich sein, dass hierdurch Methoden der funktionalen Sicherheit bei dem Sicherungssystem implementiert werden.

Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass ausschließlich das elektronische Sicherungssystem zum Überstromschutz durch irreversible Unterbindung des Stromflusses vorgesehen ist. Mit anderen Worten kann es möglich sein, dass das Batteriemanagementsystem ausschließlich das Sicherungssystem als eine elektronische Sicherung nutzt, und somit auf eine Schmelzsicherung oder dergleichen verzichtet werden kann. Somit können auch Bauraum und Kosten reduziert werden, da bspw. ein Sicherungshalter, Stromschienen, und/oder andere Befestigungsmittel für die Schmelzsicherung eingespart werden.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Schutz bei einem Batteriesystem, insbesondere zum Überstromschutz, mit einem Sicherungselement, einer Erfassungseinheit und einer elektronischen Verarbeitungseinheit.

Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass zumindest einer der nachfolgenden Schritte durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die Schritte nacheinander oder in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, wobei bevorzugt einzelne Schritte auch wiederholt durchgeführt werden können:

Ermitteln einer Erfassungsinformation durch die Erfassungseinheit, wobei die Erfassungsinformation für einen elektrischen Strom bei einem elektrischen Strompfad bei dem Batteriesystem spezifisch ist (bspw. ist die Erfassungsinformation eine ggf. verstärkte und/oder in eine digitale Information umgewandelte Messspannung von einem Shunt-Widerstand),

Durchführen eines Vergleichs der Erfassungsinformation mit einer anpassbaren Sicherungsvorgabe durch die Verarbeitungseinheit, sodass ein Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand, detektiert wird, wobei vorzugsweise für den

Vergleich die Erfassungsinformation digital und/oder numerisch durch die Verarbeitungseinheit ausgewertet wird, bspw. mittels eines Computerprogramms, Auslösen des Sicherungselements (insbesondere initiiert durch die Verarbeitungseinheit) in Abhängigkeit von dem Vergleich, sodass eine Unterbrechung des elektrischen Strompfades (durch das Sicherungselement) bei positiver Detektion des Fehlerzustands, insbesondere Überstromzustands, gemäß einer anpassbaren Auslösecharakteristik erfolgt.

Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriesystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem beschrieben worden sind. Zudem kann das Verfahren geeignet sein, ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriesystem und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem zu betreiben.

Es ist ferner denkbar, dass die Erfassungsinformation für einen zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms spezifisch ist, und insbesondere mehrere Stromstärkewerte umfasst, wobei vorzugsweise bei der Durchführung des Vergleichs anhand der Erfassungsinformation Merkmale und/oder Muster des Verlaufs ausgewertet werden, um einen Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand zu detektieren. Hierzu kann die Erfassungsinformation bspw. mehrere Werte umfassen, welche einen Stromstärkeverlauf des Stroms durch den Strompfad (des Laststromkreises) repräsentieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungsinformation auch Werte umfassen, welche für einen Verlauf von wenigstens einem anderen Parameter des Batteriesystems spezifisch sind (wie einem Temperaturverlauf, einer Betriebsdauer oder dergleichen). Zur Erfassung der Betriebsdauer kann bspw. die Erfassungseinheit und/oder eine weitere Erfassungseinheit vorgesehen sein, welche bspw. einen Timerbaustein oder einen Zeitgeber oder dergleichen umfasst. Dabei wird insbesondere davon ausgegangen, dass wenigstens ein bestimmter Verlauf einen Kurzschluss oder dergleichen indiziert, sodass in diesem Fall der Fehlerzustand bzw. Überstromzustand detektiert werden soll. Vorzugsweise kann hierzu die Verarbeitungseinheit genutzt werden, um bestimmte Merkmale im Verlauf bzw. in der Erfassungsinformation zu detektieren, wie bspw. ein Muster und/oder ein definierter Strom (- verlauf) und/oder eine bestimmte Signatur und/oder bestimmte Grenzwerte. Dabei kann auch die Sicherungsvorgabe wenigstens einen Vorlagenverlauf umfassen, mit dem die Erfassungsinformation verglichen wird. Hierbei ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Sicherungssystem bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die hierfür relevanten Parameter nahezu beliebig vorgegeben werden können. So muss im Gegensatz zu einer Schmelzsicherung nicht auf das Schmelzen der Sicherung gewartet werden, sondern es kann bei bspw. einem definierten Strom in definierter Zeit die Sicherung ausgelöst werden. Da insbesondere bei dem Sicherungselement kein thermisches Schmelzen abgewartet werden muss (im Gegensatz zur Schmelzsicherung), kann schon bei geringeren Strömen der Stromkreis getrennt werden. Durch diese schnelle Trennung kann ein Kurzschlussstrom insbesondere schon während der Anfangsphase (dem sogenannten „Prellen") erkannt werden. Damit kann der Stromfluss ggf. schon unterbrochen werden, bevor sich der Kurzschlussstrom komplett aufgebaut hat. In anderen Worten kann vorteilhafterweise durch die Verarbeitungseinheit der Fehlerzustand, insbesondere Überstromzustand, bereits dann detektiert werden, wenn erste„Anzeichen" eines Kurzschlusses oder dergleichen auftreten, welche bspw. anhand des Verlaufs bzw. der Erfassungsinformation detektiert werden können.

Vorteilhafterweise kann bei der Erfindung vorgesehen sein, dass die Erfassungsinformation bei der Durchführung des Vergleichs gemäß vorbestimmten Vergleichskriterien ausgewertet und/oder verglichen wird, um wenigstens ein charakteristisches Merkmal eines Verlaufs des elektrischen Stroms zu ermitteln, welches für einen Überstromzustand spezifisch ist. Das Merkmal ist bspw. ein bestimmter Verlauf (wie ein Ansteigen oder eine bestimmte Funktion, welche durch den Verlauf angenähert wird). Dies ermöglicht es, einen beginnenden Kurzschlussstrom oder dergleichen zu detektieren, und damit frühzeitig die Sicherung auszulösen. Der Vergleich und/oder die Vergleichskriterien können dabei bspw. durch eine digitale Vorgabe und/oder durch einen Algorithmus, wie einen statistischen Algorithmus und/oder eine Mustererkennung, bereitgestellt werden.

Bevorzugt kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Sicherungsvorgabe an einen Betriebsbereich des Batteriesystems (insbesondere linear oder nicht-linear bzw. stufig) angepasst wird, sodass vorzugsweise wenigstens ein Grenzwert einer Stromstärke des elektrischen Stroms (als Auslösestrom) definiert wird, bei welchem die Unterbrechung des elektrischen Strompfades vorgesehen ist. insbesondere kann dabei die Unterbrechung des Strompfades durch die Aktivierung des Sicherungselements in definierter Zeit erfolgen. Bspw. kann bei einem Überschreiten des Grenzwertes die Unterbrechung erfolgen, um einen zuverlässigen Schutz bereitzustellen. Diese Möglichkeit der Nutzung von Grenzwerten kann ggf. mit einer zuvor beschrieben Methode kombiniert werden, bei welcher weitere Vergleichskriterien verwendet werden und/oder der Verlauf ausgewertet wird. 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:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Sicherungsvorgabe,

Figur 2 eine weitere schematische Darstellung einer weiteren Sicherungsvorgabe, Figur 3 eine weitere schematische Darstellung einer weiteren Sicherungsvorgabe, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherungssystem und erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystems, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.

In den Figuren 1 bis 3 sind schematisch verschiedene Sicherungsvorgaben S, insbesondere Sicherungskennlinien S, gezeigt. Hierbei ist beispielhaft das Auslöseverhalten bzw. der Auslösestrom S (mit der Stromstärke I) des Sicherungselements 70 für unterschiedliche Betriebsdauern t eines Batteriesystems 200 gezeigt. Somit sind die dargestellten Zusammenhänge spezifisch für eine jeweilige beispielhafte Auslösecharakteristik eines erfindungsgemäßen Sicherungssystems 10. Der mit einer Schraffur hervorgehobene Bereich entspricht dabei einem beispielhaften Betriebsbereich B eines Batteriesystems 200. In diesem Fall umfasst der Betriebsbereich B Stromstärkewertebereiche, in welchen ein Normalbetrieb des Batteriesystems 200 vorliegt, d. h. keine Auslösung der Sicherung erfolgen soll.

Figur 1 zeigt eine typische Kennlinie, welche so auch bei einer konventionellen Schmelzsicherung vorliegen kann. Dabei ist ein erster kritischer Bereich 101 dargestellt, in welchem eine Gefahr von Fehlauslösungen der Sicherung im Dauerbetrieb besteht. Zudem ist ein zweiter kritischer Bereich 102 dargestellt, in welchem sehr hohe Ströme notwendig sind, um die Sicherung auszulösen. Hierbei besteht die Gefahr, andere Bauteile im Strompfad zu zerstören.

Dieses Problem kann bei der Nutzung anderer Sicherungsvorgaben S zumindest reduziert werden. So ist in Figur 2 eine verbesserter Kennlinie gezeigt, wobei in einem ersten Bereich 103 ein ausreichender Abstand zum normalen Betriebsbereich B vorliegt, und in einem zweiten Bereich 104 die Kennlinie ausreichend nahe am Betriebsbereich B ist, um hohe Ströme zu verhindern. In Figur 2 ist die Sicherungsvorgabe S bzw. Sicherungskennlinie S linear ausgeführt. Eine weitere Verbesserung zeigt Figur 3, bei welcher eine Sicherungsvorgabe S genutzt wird, welche nicht-linear, insbesondere stufig, am Betriebsbereich B angepasst ist. Hierbei umfasst der Betriebsbereich B mindestens zwei unterschiedliche Wertebereiche für zulässige Werte (bspw. einer Stromstärke). In Figur 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem 300 mit einem erfindungsgemäßen Sicherungssystem 10 dargestellt. Hierbei ist der Strompfad P teilweise gezeigt, durch welchen ein elektrischer Strom I fließt, insbesondere zwischen einem Energiespeicher 210 und einer Last 400. Es ist dabei eine Erfassungseinheit 20 vorgesehen, um diesen Strom I zu erfassen. Dazu nutzt die Erfassungseinheit 20 einen Shunt-Widerstand 21 , welcher im Strompfad P integriert ist. Anhand des Spannungsabfalls am Shunt-Widerstand 21 kann eine Messspannung ermittelt werden, welche proportional zum Strom I ist. Diese Messspannung wird durch eine Verstärkereinheit 30 verstärkt und durch eine Wandlereinheit 40, insbesondere einen Analog-Digital-Wandler 40, in ein digitales Signal umgewandelt. Auf diese Weise kann die Erfassungsinformation E ermittelt werden, welche bspw. durch die verstärkte Messspannung und/oder durch die digital umgewandelte Messspannung gebildet wird. Entscheidend ist dabei, dass die Erfassungsinformation E eine Information über den erfassten Parameter umfasst, d. h. im in Figur 4 gezeigten Beispiel der Stromstärke. Auch kann die Erfassungsinformation E einen Verlauf der Werte des Parameters, wie der Stromstärke, umfassen. Hierzu kann bspw. die Messspannung zu mehreren Zeitpunkten erfasst werden, und die hierbei ermittelten Messwerte als zeitlicher Verlauf zwischengespeichert werden. Anschließend kann die Erfassungsinformation E durch eine Verarbeitungseinheit 50, wie einem Mikrocontroller, ausgewertet werden. In Abhängigkeit von dieser Auswertung kann dann eine Treibereinheit 60 durch die Verarbeitungseinheit 50 angesteuert werden, welche daraufhin das Sicherungselement 70 auslöst. Hierdurch wird der Strompfad P unterbrochen.

In Figur 5 ist schematisch ein Batteriesystem 200 dargestellt. Dieses umfasst insbesondere wenigstens einen Energiespeicher 210, welcher über den Strompfad P mit einem Batteriemanagementsystem 300 des Batteriesystems 200 verbunden ist. Das Batteriemanagementsystem 300 umfasst bspw. wenigstens ein Halbleiterschaltelement 310 und/oder wenigstens eine Überwachungseinheit 320. Das Batteriemanagementsystem 300 verbindet ferner den Energiespeicher 210 mit einer Last 400.

In Figur 6 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 visualisiert. Gemäß einem ersten Verfahrensschritt 1 10 erfolgt dabei ein Ermitteln einer Erfassungsinformation E durch die Erfassungseinheit 20, wobei die Erfassungsinformation E für einen elektrischen Strom I bei einem elektrischen Strompfad P bei dem Batteriesystem 200 spezifisch ist. Gemäß einem zweiten Verfahrensschritt 120 ist eine Durchführung eines Vergleichs der Erfassungsinformation E mit einer anpassbaren Sicherungsvorgabe S durch die Verarbeitungseinheit 50 vorgesehen, sodass ein Überstromzustand detektiert wird. Anschließend kann gemäß einem dritten Verfahrensschritt 130 ein Auslösen des Sicherungselements 70 in Abhängigkeit von dem Vergleich erfolgen, sodass eine Unterbrechung des elektrischen Strompfades P bei positiver Detektion des Überstromzustands gemäß einer anpassbaren Auslösecharakteristik erfolgt. 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.

B ez u g s ze i c h e n l i s te

10 Sicherungssystem

20 Erfassungseinheit

21 Shunt-Widerstand

30 Verstärkereinheit

40 Wandlereinheit, Analog-Digital-Wandler

50 Verarbeitungseinheit

60 Treibereinheit

70 Sicherungselement, Pyrotechnisches Schaltelement 100 Verfahren

101 erster kritischer Bereich

102 zweiter kritischer Bereich

103 erster Bereich

104 zweiter Bereich

110 erster Verfahrensschritt

120 zweiter Verfahrensschritt

130 dritter Verfahrensschritt 200 Batteriesystem

210 Energiespeicher

300 Batteriemanagementsystem 310 Halbleiterschaltelement

320 Überwachungseinheit

400 Last t Zeit

B Betriebsbereich

E Erfassungsinformation

I Strom

P Strom pf ad

S Sicherungsvorgabe, Sicherungskennlinie