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DE102011089817A1 - Trenneinheit zum Trennen einer Batterie von einem Netz sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie - Google Patents

Trenneinheit zum Trennen einer Batterie von einem Netz sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie Download PDF

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DE102011089817A1
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fuse
network
disconnecting
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Stefan Soboll
Lars Huebner
Johannes Helmich
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Abstract

Es wird eine Trenneinheit (10) zum Trennen einer Batterie von einem Netz beschrieben, wobei weiter eine Sicherung (12) vorgesehen ist, die zum Unterbrechen eines Stromkreises zwischen der Batterie und dem Netz dient. Die Sicherung (12) ist dabei in die Trenneinheit (10) integriert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trenneinheit zum Trennen einer Batterie von einem Netz. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit der Batterie.
  • Stand der Technik
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (zum Beispiel bei Windkraftanlagen), in Kraftfahrzeugen (zum Beispiel in Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen) als auch im Bereich der Konsumgüter (zum Beispiel Laptops oder Mobiltelefone) vermehrt wiederaufladbare Batterien zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
  • Hintergrund für diese Anforderung ist die Sicherheitsabschaltung der Batterie bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Eine Notabschaltung kann beispielsweise bei systembedingten Fehlern (Kurzschluss) oder bei Unfällen erforderlich werden. Durch die Trennung der Batterie vom Netz sollen Fahrzeugbrände verhindert werden, die durch einen Unfall oder Kurzschluss herbeigeführt werden. Es gibt unterschiedliche Methoden, die Batterie im Bedarfsfall zu trennen. Zum einen kann die Batterie mittels eines Batterieschalters getrennt werden. Diese Methode ist vom Schaltungsaufwand nicht so hoch, wobei aber das Überwachen der Betriebszustände und das damit verbundene Ein- und Ausschalten des Schalters für den Fahrer eine erhebliche Mehrbelastung bedeutet. Zum anderen gibt es die Batterietrenneinheit, die den Stromfluss der Batterie im Falle eines Unfalls oder Kurzschlusses umgehend zum Elektromotor unterbricht.
  • Die Batterietrenneinheit dient zum Trennen des Schaltkreises der Batterie. Es gibt verschiedene Batterietrenneinheit-Klassen, welche beispielsweise einen Anschluss für den Inverter oder für verschiedene Ladestecker ermöglichen. Des Weiteren existiert standardmäßig ein Service-Trenner. Dieser Service-Trenner stellt eine Steckbrücke dar, welche gezogen werden muss, damit an Hochvolt-Komponenten gearbeitet werden kann. Dieser Service-Trenner ist ebenfalls mit integrierter Hochvolt-Sicherung verfügbar. Zusätzlich gibt es die Alternative, über einen Lowvolt-Service-Trenner die Stromversorgung der Batterie und somit auch die Batterietrenneinheit zu unterbrechen. Dadurch geht die Batterietrenneinheit auf ihre Default-Einstellung zurück, das heißt, die Batterie ist vom Fahrzeug getrennt. Die Anforderungen an eine sichere Fahrzeugbatterie nur mit dem Lowvolt-Service-Trenner zu erfüllen, würde auf der einen Seite die Hochvolt-Sicherung im Batteriekabelbaum überflüssig machen, auf der anderen Seite würde aber ein zusätzlicher Konstruktionsaufwand entstehen und somit auch höhere Kosten.
  • Aus der DE 10 2009 011 261 sind ein Hochspannungsfahrzeug-Störungsdetektierungsverfahren und eine diesbezügliche Vorrichtung bekannt. Das Verfahren enthält das Detektieren von Hochspannungsstörungen wie etwa verschweißten Schaltschützen oder getrennten Komponenten in einem Fahrzeug durch Messen der elektrischen Gesamtimpedanz zwischen der positiven und der negativen Schiene eines Hochspannungsbusses und einer Masse oder einem Fahrwerk, das Vergleichen der Impedanz vor und nach dem Öffnen der Schaltschütze und das Ausführen einer Wartungsantwort.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Trenneinheit zum Trennen einer Batterie von einem Netz, oftmals auch Fahrzeug-Bordnetz bezeichnet, zur Verfügung gestellt, wobei weiter eine Sicherung vorgesehen ist, die zum Unterbrechen eines Stromkreises zwischen der Batterie und dem Netz dient. Kennzeichnend ist, dass die Sicherung in die Trenneinheit integriert ist.
  • Die Batterie wird von einem Netz getrennt, wobei das Netz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug darstellt. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist die Sicherung integraler Bestandteil der Trenneinheit. Mit anderen Worten, die Sicherung muss also nicht als separates Element an die Trenneinheit zusätzlich angeschlossen werden.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Sicherheitskomponenten in einer Einheit untergebracht werden, wodurch der Wartungsaufwand verringert werden kann. Durch die Unterbringung aller Einzelkomponenten in einem gemeinsamen Gehäuse kann zudem der Packaging-Aufwand in der Konstruktion deutlich verringert werden. Der Herstellungsprozess der Trenneinheit wird wesentlich vereinfacht, wenn die Sicherung in die Trenneinheit integriert wird und nicht erst separat an die Trenneinheit angeschlossen werden muss. Zudem ist vorteilhaft, dass alle kritischen Bauteile problemlos ausgetauscht werden können, da der Ausfall der Sicherung durch die Fehlfunktion der Schütze verursacht wird. Weiterhin werden im Kabelstrang die zwei Anschlusspunkte für die Sicherung nicht mehr benötigt, da sie in die Trenneinheit integriert werden. Die Trenneinheit kann vorteilhaft in höheren Stückzahlen hergestellt werden, da sie eine standardisierte Komponente darstellt. Weiterhin kann das spannungsfreie Austauschen der Sicherheitskomponenten durch das Tauschen der Trenneinheit vereinfacht beziehungsweise sichergestellt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherung der Trenneinheit mittels eines Form- und/oder Stoffschlusses die elektrische Kontaktierung realisiert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die formschlüssige Verbindung vorzugsweise mit Schrauben realisiert wird und der Stoffschluss vorzugsweise dem Löten entspricht. Mit beiden Verbindungsformen wird vorteilhaft dauerhaft eine sichere Verbindung erreicht.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trenneinheit mindestens ein Schütz umfasst, das mit der Sicherung verbunden ist. Dadurch wird vorteilhaft sichergestellt, dass die Batterie vom Netz getrennt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schütz mit der Sicherung in Reihe geschaltet ist. Vorteilhaft dabei ist, dass bis zu einem gewissen Strom das Schütz oder die Sicherung die Batterie vom Netz trennen kann und bei einem Strom größer dem maximalen Trennstrom des Schützes trennt die Sicherung die Batterie vom Netz, wodurch eine sehr sichere Trennung trotz Versagen der Relais ermöglicht wird.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Trenneinheit einen Strompfad mit Sensoren aufweist. Vorzugsweise sind die Sensoren Strom-, Temperatur-, Spannungs- und/oder Isolationssensoren. Der Vorteil eines Sensors ist, dass dadurch eine Messung vorgenommen werden kann, beispielsweise wird mit dem Stromsensor die Spannung und mit dem Isolationssensor die Isolation gemessen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherung vorzugsweise eine Hochvoltsicherung ist. Durch diese spezielle Hochvoltsicherung ist es vorteilhaft möglich, die Batterie vom Netz sicher zu trennen.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Trenneinheit eine Vielzahl von Anschlusspunkten aufweist, wobei in die Verbindung der jeweiligen Anschlusspunkte Stromrelais eingebunden werden. Dadurch ist vorteilhaft, dass der jeweilige Strompfad gezielt unterbrochen werden kann.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen Batterie. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
  • Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Trenneinheit als Bauteil kommen so auch dem Kraftfahrzeug als Baugruppe zugute.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Trenneinheit mit integrierter Sicherung, und
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Trenneinheit.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Trenneinheit 10 gezeigt. Die Trenneinheit 10 umfasst mindestens vier Anschlusspunkte 16 für verschiedene Fahrzeuganschlüsse, wie beispielsweise einen Anschluss für Batterie laden, Anschlüsse für den Fahrzeugantrieb oder Anschlüsse zur Verbindung mit den Batteriezellen. Hierbei werden zwischen den positiven und negativen Anschlüssen der Batteriezellen und anderen Hochvolt-Komponenten, beispielsweise Ladestecker und Inverter, unterschieden. Weiterhin weist die 1 mindestens zwei Schütze 14 auf, um den Strom zu schalten.
  • Es werden in die jeweiligen Anschlusspunkte 16 Stromrelais eingebunden, um den jeweiligen Strompfad gezielt unterbrechen zu können. Dabei erfolgt die Einbindung des Stromrelais von einer positiven Batteriezelle zu einer positiven Hochvolt-Komponente oder von einer negativen Batteriezelle zu einer negativen Hochvolt-Komponente. Zusätzlich werden in den Strompfad verschiedene Sensoren und eine Sicherung 12 integriert. Vorzugsweise werden Stromsensoren, Spannungssensoren, Isolationssensoren und Temperatursensoren verwendet, wobei mit dem Stromsensor die Spannung und mit dem Isolationssensor die Isolation gemessen wird. Vorzugsweise ist die Sicherung 12 eine Hochvoltsicherung und dafür geeignet, mit den Schützen 14 in Reihe geschaltet zu werden. Dabei wird das Schütz 14 mit der Sicherung 12 für jeden Strompfad ausgelegt. Dadurch entsteht ein überlappender Arbeitsbereich zwischen der Sicherung 12 und den Schützen 14, das heißt, bis zu einem gewissen Strom trennen nur die Schütze 14 den Strom zwischen der Batterie und dem Netz. Bei genau diesem Strom und darüber kann neben dem Schütz 14 auch die Sicherung 12 auslösen. Bei einem Strom größer dem maximalen Trennstrom der Schütze 14 trennt dann die Sicherung 12 die Batterie vom Netz. Dadurch wird ein sicheres Auftrennen der Stromkreise trotz Versagen des Relais möglich. Es ist ersichtlich, dass die Sicherung 12 in die Trenneinheit 10 integriert und mit den beiden Schützen 14 verbunden ist. Weiterhin ist die Sicherung 12 vorzugsweise mit Schrauben 18 verbunden.
  • Der 2 ist eine weitere Ausführungsform der Trenneinheit 10 zu entnehmen. Die Trenneinheit 10 weist hier einen Gehäusedeckel 20 und einen Deckel 22 für die Anschlusspunkte 16 auf. Dabei sind die Komponenten wie Schütz 14, Sicherung 12 unter dem Gehäusedeckel 20 und die Anschlusspunkte 16 unter dem Deckel 22 untergebracht und daher in der 2 nicht sichtbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009011261 [0005]

Claims (10)

  1. Trenneinheit (10) zum Trennen einer Batterie von einem Netz, wobei weiter eine Sicherung (12) vorgesehen ist, die zum Unterbrechen eines Stromkreises zwischen der Batterie und dem Netz dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung (12) in die Trenneinheit (10) integriert ist.
  2. Trenneinheit (10) nach Anspruch 1, wobei die Sicherung (12) eine feste mechanische Verbindung mittels eines Form- und/oder Stoffschlusses aufweist, die die elektrische Kontaktierung realisiert.
  3. Trenneinheit (10) nach Anspruch 2, wobei der Formschluss einer Schraube (18) und der Stoffschluss dem Löten entspricht.
  4. Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trenneinheit (10) mindestens ein Schütz (14) umfasst, das mit der Sicherung (12) verbunden ist.
  5. Trenneinheit (10) nach Anspruch 4, wobei das Schütz (14) mit der Sicherung (12) in Reihe geschaltet ist.
  6. Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strompfad Strom-, Temperatur-, Spannungs- und/oder Isolationssensoren aufweist.
  7. Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sicherung (12) eine Hochvoltsicherung ist.
  8. Trenneinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trenneinheit (10) eine Vielzahl von Anschlusspunkten (16) aufweist, und wobei in die Verbindung der jeweiligen Anschlusspunkte (16) Stromrelais eingebunden werden.
  9. Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, mit einer Trenneinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 9, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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