Energiesystem für ein Fahrzeug, Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie und Kraftfahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiesystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug und ein Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen und mobile Elektronikgeräte.

Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen- Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.

Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode beziehungsweise Anode), die mittels einer Elektrolytkomponente Lithium- Ionen (Li ⁺ ) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.

Kommerziell etablierte Lithium-Ionen-Zellen können als Wickel oder Stapel im sogenannten Hardcase oder im sogenannten Softpack vorliegen. Als Softpacks oder Pouch-Zellen werden Zelleinheiten bezeichnet, die mit einer Aluminium-Verbundfolie verpackt sind; auch die Bezeichnung Lithium-Ionen-Polymer-Zellen wird dafür verwendet. Nominale Kapazitäten von Lithium-Ionen-Einzel-Zellen für Pkw oder Lkw liegen im Bereich von 3 Ah bis 300 Ah und typischerweise zwischen 4 Ah und 80 Ah, um die für die geforderten hohen Antriebsleistungen erforderlichen hohen elektrischen

Spannungen beziehungsweise Ströme bereitstellen zu können. Bei Verwendung derartiger Energiespeicher zum Antrieb von Fahrzeugen muss jedoch die Sicherheit der Fahrzeuginsassen sowie der Umgebung des Fahrzeuges in jeder Situation sichergestellt sein. Das heißt, dass auch im Fall einer Havarie oder eines Unfalls des Fahrzeuges beziehungsweise der Batteriezelle und/oder bei einem Isolationsfehler in einer mit der Batterie verbundenen elektrischen Leitung der Gefahr eines elektrischen Stromschlags vorgebeugt werden muss.

Das üblicherweise bei Erkennung einer Gefahrensituation eingesetzte Servicegerät, dessen Funktion zum Beispiel vom Batteriemanagementsystem übernommen werden kann, ist, je nach Ausgestaltung, hinsichtlich eines gravierenden Unfalls und/oder gravierender Isolationsfehler alleine nicht ausreichend, einen Stromschlag zu vermeiden, da ein solches Servicegerät nur dann Sicherheitsvorkehrungen treffen kann, wenn es selbst nicht durch die Havarie beeinträchtigt wurde.

Eine bekannte Methode zur Risikominimierung ist es, eine gezielte Notentladung der Batteriezellen vorzunehmen. Dadurch lassen sich insbesondere nach Erkennung bestimmter Gefahrensituationen, wie zum Beispiel nach einem Unfall, Potenzial- Unterschiede zwischen Batterie und der Umgebung gezielt und gesteuert ausgleichen und somit die Gefahr des Stromschlages beseitigen. Diesbezüglich ist aus der US 2010/0026242 A1 ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Entladung eines Energiespeichersystems bekannt, bei der im Havariefall eine Notentladung mittels eines ersten und/oder zweiten Entladungswiderstandes vorgenommen wird. Aus der US 7,592,776 B2 ist eine Energiespeichereinheit bekannt, die im Falle einer

Gefahrensituation entladen werden kann. Bei der Entladung wird die im

Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Dazu kann insbesondere eine Ladespule dienen, deren Betrieb zum Laden der Batterie eingerichtet und angeordnet ist. Zur Entladung ist somit ein gewisser

schaltungstechnischer und steuerungstechnischer Aufwand zu betreiben, um mittels der ursprünglich nicht für die Entladung vorgesehenen Spule eine Umsetzung der elektrischen Energie in Wärme zu realisieren.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Energiesystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein elektromotorisches angetriebenes Fahrzeug, zur Verfügung gestellt, wobei das Energiesystem wenigstens eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, umfasst, sowie wenigstens eine mit der Batterie elektrisch verbundene

Verbrauchseinrichtung, deren jegliche Betriebsweise eine Reduzierung der Ladung der

Batterie bewirkt. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Energiesystem eine Steuerungseinrichtung. Das Energiesystem ist derart eingerichtet, dass bei Eingang eines Gefahrensignals in der Steuerungseinrichtung mit dieser die

Verbrauchseinrichtung derart ansteuerbar ist, dass mittels der Verbrauchseinrichtung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Minderung der Ladung der Batterie um mindestens 90 % realisierbar ist. Vom Begriff der Batterie sollen im Sinne der

Erfindung auch Batteriezellen sowie Batteriezellenmodule, die mehrere Batteriezellen aufweisen, umfasst sein. Die Verbrauchseinrichtung ist somit zur Umsetzung der in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie und/oder zur Überwachung und/oder zur Regelung der Batterie eingerichtet und angeordnet. Das heißt, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Energiesystems in einem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug die

Verbrauchseinrichtung zum Antreiben des Fahrzeuges und/oder zur Realisierung zumindest eines weiteren elektrischen Vorganges im Fahrzeug unter Verbrauch der

Ladung während des elektrischen Betriebes des Fahrzeuges oder seiner elektrischen Betriebsbereitschaft eingerichtet ist. Mit dem Betrieb des Fahrzeuges ist im Sinne der Erfindung der Fahrzustand des Fahrzeuges beziehungsweise seiner Fahrbereitschaft gemeint, und nicht der Zustand des Fahrzeuges während des Aufladens der Batterie.

Die Zeitspanne, während der die genannte Ladungsminimierung realisiert werden soll, beträgt vorzugsweise maximal 60 s ab Eingang des Gefahrensignals in der

Steuerungseinrichtung. Die Zeitspanne kann in Abhängigkeit der gewünschten

Gefahreneliminierung gewählt werden. Wenn keine Gefährdung für Mensch und Tier besteht, kann diese Zeitspanne auch deutlich überschritten werden, in Abhängigkeit zulässiger Betriebsparameter und Randbedingungen wie Temperaturen in Zellen, der Verbraucher oder der Leitungen. Die Zeitspanne, innerhalb derer ein detektiertes gefährdendes Spannungspotential zu mindern ist, ist vorzugsweise maximal 30 ms, um auch im Fehlerfall einen elektrischen Schlag oder lebensgefährliche Auswirkungen eines elektrischen Schlags zu verhindern.

Die Minderung der Ladung der Batterie soll um mindestens 90 % erfolgen. Das heißt, dass bezogen auf den Ladungszustand der Batterie vor Eingang des Gefahrensignals nach der mittels der Verbrauchseinrichtung vorgenommenen Entladung maximal 10 % der Ladung vorhanden sein soll, insbesondere vorzugsweise maximal 5 % und, zur absoluten Gefahreneliminierung, insbesondere 0 % der Ladung vorhanden sein soll. Das heißt, dass vorzugsweise ein vollständiger Potenzialausgleich zwischen der Batterie und der Umgebung realisiert werden soll.

Die Verbrauchseinrichtung kann dabei eine Einrichtung sein, bei deren Betrieb elektrische Energie umsetzbar ist. Eine solche Verbrauchseinrichtung ist zum Beispiel eine Einrichtung, die im Betrieb des Kraftfahrzeuges von der Batterie gespeist wird, wie zum Beispiel eine Heizeinrichtung zur Temperierung der Fahrgastzelle oder auch der Konverter zum Betrieb des elektrischen Antriebes. Derartige umsetzende

Einrichtungen setzen die elektrische Energie in andere Energieformen wie zum

Beispiel Wärme um. Insbesondere mittels der elektrisch betriebenen Heizeinrichtung ist ein schneller Potenzialausgleich möglich.

In alternativer Ausgestaltung kann die Verbrauchseinrichtung eine Einrichtung sein, bei deren Betätigung ein Stromfluss in die Umgebung des Fahrzeuges realisierbar ist. Zum Beispiel kann zu diesem Zweck eine Einrichtung zur Verhinderung der statischen Aufladung des Fahrzeuges genutzt werden, die derart ausgestaltet sein kann, dass mit ihr auch ein zielgerichteter Potenzialausgleich realisiert werden kann. Eine solche Einrichtung zur Verhinderung der statischen Aufladung kann mit einem Öffnungs- Schalter verbunden sein, bei dessen Deaktivierung aufgrund eines Gefahrensignals zum Beispiel über eine Leiterschleife ein Potenzialausgleich zum Untergrund ermöglicht wird.

In weiterer Ausführungsalternative kann vorgesehen sein, dass die

Verbrauchseinrichtung eine Balancing-Einrichtung ist, mit welcher ein Ladungsausgleich zwischen mehreren Zellen wenigstens einer Batterie realisierbar ist. Das heißt, dass in diesem Falle die Verbrauchseinrichtung zur Überwachung und/oder Regelung der Batterie eingerichtet und angeordnet ist. Die Balancing-Einrichtung kann dabei Bestandteil des Batteriemanagementsystems sein. Im Sinne der Erfindung ist davon auszugehen, dass die Balancing-Einrichtung von der Batterie gespeist wird, sodass der Betrieb der Balancing-Einrichtung eine Reduzierung der Ladung in der Batterie zur Folge hat. Insbesondere bei Ausführung der Balancing-Einrichtung als integraler Bestandteil des Batteriemanagementsystems kann vorgesehen sein, dass auch die Steuerungseinrichtung ein Bestandteil des Batteriemanagementsystems ist.

In alternativer Ausgestaltung kann jedoch die Steuerungseinrichtung auch eine einfache mechanische Einrichtung sein, wie zum Beispiel ein Schalter, der auf extreme Beschleunigungen, wie sie bei Unfällen auftreten, reagiert.

In bevorzugter Ausgestaltung ist das Energiesystem derart eingerichtet, dass mit der Steuerungseinrichtung zunächst die Balacing-Einrichtung zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen mehreren Zellen ansteuerbar ist und danach eine weitere Verbrauchseinrichtung ansteuerbar ist, bei deren Betätigung elektrische Energie umsetzbar ist oder ein Stromfluss in die Umgebung des Fahrzeuges realisierbar ist. Das heißt, dass mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem je nach Schwere einer aufgetretenen Havarie beziehungsweise eines Isolationsfehlers zunächst eine gezielte Entladung mittels des Balancings versucht werden kann, und bei Detektierung eines weiterhin bestehenden Gefahrenpotenzials die gezielte Entladung mittels einer Verbrauchseinrichtung unter Umsetzung der elektrischen Energie oder eines

Stromflusses in die Umgebung des Fahrzeuges realisiert wird.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zur Verfügung gestellt, mittels mindestens einer Verbrauchseinrichtung, deren jegliche Betriebsweise eine

Reduzierung der Ladung bewirkt, wobei mittels einer Steuerungseinrichtung bei

Eingang eines Gefahrensignals die Verbrauchseinrichtung derart angesteuert wird, dass mittels der Verbrauchseinrichtung innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Minderung der Ladung der Batterie um mindestens 90 % realisiert wird. Damit ist, wie bereits in Bezug zum erfindungsgemäßen Energiesystem beschrieben, mit geringem schaltungstechnischen und steuerungstechnischen Aufwand eine gezielte Entladung der Batterie mittels zum Betrieb des Fahrzeuges sowieso vorgesehener Komponenten möglich.

Die Zeitspanne, innerhalb derer die Minderung der Ladung der Batterie erfolgen soll, beträgt vom Eingang des Gefahrensignals an der Steuerungseinrichtung in

Abhängigkeit der gewünschten Gefahreneliminierung vorzugsweise maximal 60 s, Das erfindungsgemäße Verfahren zur Minderung der Ladung einer Batterie kann insbesondere dadurch vorteilhaft ausgestaltet sein, dass zunächst mit einer Balancing- Einrichtung ein Ladungsausgleich zwischen mehreren Zellen durchgeführt wird und danach mittels einer weiteren Verbrauchseinrichtung elektrische Energie umgesetzt wird oder ein Stromfluss in die Umgebung der Batterie realisiert wird. Wenn das Zell- Balancing mittels eines Batteriemanagementsystems einer Fahrzeugbatterie ausgeführt wird, bedeutet dies, dass mit der Steuerungseinrichtung zunächst das Batteriemanagementsystem zur Durchführung eines Ladungsausgleichs zwischen mehreren Zellen angesteuert wird und danach eine weitere Verbrauchseinrichtung angesteuert wird, bei deren Betätigung die elektrische Energie umgesetzt wird oder ein Stromfluss zur Umgebung der Batterie beziehungsweise des Fahrzeuges realisiert wird. Unter der Umsetzung der elektrischen Energie wird dabei zum Beispiel die Umwandlung der elektrischen Energie in kinetische Energie in einem Elektromotor oder in Wärme in einer Heizung verstanden. Das heißt, dass erfindungsgemäß primär eine Entladung der Batterie bei geöffneten Schützen mittels des Balancings, gegebenenfalls gesteuert durch das Batteriemanagementsystem, durchgeführt wird, wobei die Batterie vom Hochvoltnetz des Fahrzeuges getrennt sein kann. Erst bei Erkennung einer Gefahr durch das noch weiterhin bestehende Potenzial der Batterie, welches noch nicht abgebaut werden konnte, setzt zusätzlich oder statt dessen eine Entladung der Batterie mittels der Verbrauchseinrichtung ein, bei deren Betätigung elektrische Energie umgesetzt wird oder ein Stromfluss in die Umgebung der Batterie beziehungsweise des Fahrzeuges realisiert wird. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Minimierung des Risikos für Personen oder Gegenstände in der Umgebung des Energiesystems durch die Entladung mittels der Balancing- Einrichtung, welche einen Ladungsausgleich zwischen einzelnen Batteriezellen herstellen kann, wobei keine Ströme an die Karosserie beziehungsweise das Fahrwerk des Fahrzeuges oder in die Umgebung geleitet werden. Erst bei einer Erkennung einer Gefahr durch das noch vorhandene Potenzial soll eine schnelle Entladung durch Schließung der Schütze und ein damit einhergehender Stromfluss an die Karosserie und/oder an die Umgebung erfolgen, um innerhalb kürzester Zeit die aus der Batterie- Ladung resultierende Gefahr zu beseitigen, und demzufolge auszuschließen, dass nach der zielgerichteten Entladung die Gefahr eines Stromschlages besteht.

Das Gefahrensignal, welches die zielgerichtete Entladung auslösen kann, kann zum Beispiel bei Detektion einer Abweichung eines Ist-Parameters- von einem Soll- Parameter-Bereich einer physikalischen Größe generiert werden, wobei die

physikalische Größe die Temperatur der Batterie, die Beschleunigung der Batterie, ein geometrisches Maß der Batterie, eine elektrische Spannung am

Batteriemanagementsystem, ein Widerstand in einem Spannungsteiler oder eine vorhandene Wechselspannung sein kann. Zum Beispiel kann ein Gefahrensignal bei einer Temperatur der Batterie über 200° C, bevorzugt bereits ab einer Temperatur von

60° C generiert werden, welche bereits auf eine unzulässige Überhitzung und gegebenenfalls auf ein so genanntes thermisches Durchgehen („thermal runaway") hindeuten kann. Daneben kann das Gefahrensignal auch bei Detektion insbesondere einer negativen Beschleunigung generiert werden, welche zum Beispiel beim Aufprall eines Fahrzeuges auf ein Hindernis entsteht. Das Gefahrensignal kann allerdings auch bei Detektion einer positiven Beschleunigung beim Aufprall eines Gegenstandes, wie zum Beispiel eines anderen Fahrzeuges auf das mit dem erfindungsgemäßen

Energiesystem ausgestattete Fahrzeug generiert werden. Das heißt, dass bei

Detektion eines potenziellen Unfalls das Gefahrensignal generiert wird. Bei einem solchen Unfall ist eine Beschädigung der Batterie und/oder der Isolation der elektrischen Leitungen nicht auszuschließen, sodass demzufolge von der Gefahr eines elektrischen Stromschlages auszugehen ist. Weiterhin kann das Gefahrensignal generiert werden, wenn die Batterie unzulässig verformt wurde, sodass wenigstens ein geometrisches Maß der Batterie nicht mehr dem Sollwert-Parameter-Bereich entspricht. Eine solche Verformung kann zum Beispiel aufgrund eines erhöhten

Innendrucks und/oder aufgrund einer mechanischen äußeren Belastung erfolgen, welche beide auf Unfallsituationen hindeuten. Insbesondere bei einem Ausfall des Batteriemanagementsystems ist eine Änderung der elektrischen Spannung am

Batteriemanagementsystem zu verzeichnen, sodass anhand dieser

Spannungsänderung von der Gefahr eines Stromschlages aufgrund mangelnder Funktionalität des Batteriemanagementsystems auszugehen ist. Bei einem innerhalb des Batteriemanagementsystems angeordneten Spannungsteiler, der bevorzugt hochohmig mit den jeweiligen Kontakten der Batterie verbunden ist, ist bei einem Isolationsfehler, der einen unbeabsichtigten Stromfluss zum Beispiel zwischen der Batterie und der Karosserie und/oder zur Umgebung bewirkt, eine Änderung der

Spannungsverteilung zu verzeichnen. Durch Auswertung des jeweiligen Widerstandes ist somit ein Isolationsfehler, der zu einem gefährlichen Stromschlag führen könnte, detektierbar. In einem sogenannten Wechselstrom-Verfahren (AC-Verfahren) wird ein in den Hochvolt-Stromkreis des Fahrzeuges eingekoppeltes Wechselspannungssignal ausgewertet. Durch die Auswertung dieses Signals kann ein Isolationsfehler erkannt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass bei der zielgerichteten Entladung außerdem eine Kühlung der Batterie vorgenommen wird, da im Havariefall ein so genanntes thermisches Durchgehen der Batterie („thermal runaway") nicht auszuschließen ist, welches gegebenenfalls zu einer Beschädigung der Batterie und/oder zu einer unkontrollierten Entladung führen kann. Bei Nutzung des Konverters und/oder Elektromotors der elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeuges zur erfindungsgemäßen Minderung der Ladung einer Batterie kann vorgesehen sein, dass diese ebenfalls gekühlt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur zur Verhinderung von Stromschlägen in Havariesituationen genutzt werden, sondern auch zur Vorbereitung des Recyclings am Ende der Lebensdauer der Batterie, wobei eine Gefahrensituation simuliert wird oder die gezielte Herstellung einer Abweichung eines Ist-Parameters von einem Soll-

Parameter-Bereich einer genannten physikalischen Größe erzeugt wird, sodass ein entsprechendes Gefahrensignal generiert wird, welches den Potenzialausgleich auslöst.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein

elektromotorisches angetriebenes Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein erfindungsgemäßes Energiesystem umfasst. Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird anhand des in der beiliegenden Zeichnung

dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigt die einzige Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Energiesystem.

Dieses Energiesystem umfasst eine Batterie 1 , die insbesondere eine Lithium-Ionen- Batterie sein kann. Steuerungstechnisch gekoppelt ist mit der Batterie 1 ein

Batteriemanagementsystem 10. Mit der Batterie 1 ist weiterhin ein Elektromotor 20 sowie eine Heizeinrichtung 30 elektrisch verbunden. Der Elektromotor 20 ist vorzugsweise zum Antrieb eines Elektrofahrzeuges, welches mit dem

erfindungsgemäßen Energiesystem ausgestattet ist, eingerichtet. Die Heizeinrichtung 30 ist vorzugsweise zur Beheizung der Fahrgastzelle des Fahrzeuges eingerichtet. Die Bestromung des Elektromotors 20 wird durch Schließung des zweiten Schalters 52 realisiert. Die Bestromung der Heizeinrichtung 30 wird durch Schließung des ersten Schalters 51 realisiert. Die beiden Schalter 51 und 52 sind jeweils mit einer

Steuerungseinrichtung 50 verbunden. Diese Steuerungseinrichtung 50 ist wiederum steuerungstechnisch mit einer Detektionseinrichtung 40 verbunden. Die

Detektionseinrichtung 40 kann zur Detektion einer Abweichung eines Ist-Parameters von einem Soll-Parameter-Bereich einer physikalischen Größe eingerichtet sein, wobei die physikalische Größe zum Beispiel die Temperatur der Batterie, die Beschleunigung der Batterie, ein geometrisches Maß der Batterie, die elektrische Spannung am

Batteriemanagementsystem 10, der Widerstand in einem nicht dargestellten

Spannungsteiler oder auch eine Wechselspannung in einem Hochvolt-Stromkreis des

Fahrzeuges sein kann. Bei Abweichung des Ist-Parameters vom Soll-Parameter- Bereich generiert die Detektionseinrichtung 40 ein Gefahrensignal, welches der Steuerungseinrichtung 50 eingegeben wird. Die Steuerungseinrichtung kann, gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Art des detektierten Gefahrensignals, den ersten Schalter 51 zur Betätigung der Heizeinrichtung 30 und/oder den zweiten

Schalter 52 zur Betätigung des Elektromotors 20 schließen, sodass elektrische

Energie, die in der Batterie 1 gespeichert ist, durch die Heizeinrichtung 30 in Wärme umgesetzt wird und/oder durch den Elektromotor 20 in kinetische Energie umgesetzt wird. Dadurch wird die Ladung in der Batterie 1 gemindert. Alternativ oder

hinzukommend kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung 50 das Batteriemanagementsystem 10 ansteuert, deren integraler Bestandteil eine Balancing- Einrichtung sein kann. Bei Eingang eines Gefahrensignals an der

Steuerungseinrichtung 50 kann diese das Batteriemanagementsystem zur

Durchführung eines Ladungsausgleichs (balancing) zwischen einzelnen Zellen der Batterie 1 veranlassen, wobei ebenfalls die Ladung der Batterie 1 vermindert wird.

Je nach Abhängigkeit von der Art des detektierten Gefahrensignals kann zwecks Ladungsminderung in der Batterie zuerst das Balancing durchgeführt werden und je nach Schwere der detektierten Havarie beziehungsweise des Isolationsfehlers gleichzeitig oder anschließend eine Entladung der Batterie 1 durch Betätigung der

Heizeinrichtung 30 und/oder des Elektromotors 20 erfolgen.