Titel

Eigensichere modulare Batterie für unfallträchtige Anwendungen.

Gebiet der Erfindung

Leistungsfähige Batterien mit potentiell gefährlichen Spannungen und Strömen werden zunehmend in Anwendungen eingesetzt, in denen es häufig zu einer Verunfallung kommen kann, z.B. im Automobil, in Lastkraftwagen, mobilen Geräten und Maschinen. Auch stationäre Anwendungen können einen erhöhten Schutzbedarf haben z.B. Pufferbatterien von Photovoltaikanlagen im Endverbraucherumfeld. In diesen Fällen ist es notwendig, dass im Falle einer Störung oder eines Unfalls keine unzumutbaren Gefahren von der

Antriebsbatterie ausgehen, im Automobilbereich ist die Sicherheit des Fahrzeuges und der Komponenten im Falle einer Serienproduktion in aufwendigen Crash-Tests nachzuweisen.

Beschreibung des Stands der Technik

Die maßgeblichen Gefahren leistungsfähiger modemer Antriebsbatterien sind:

• Selbstentzündung, Explosion, Freisetzung toxischer Substanzen

• Unfallbedingtes Anliegen hoher Spannungen außerhalb der Batterie, z.B. an

ungeschützten Stellen im Automobil

• Anliegen hoher Spannungen an oder in der Batterie.

Selbstentzündung, Explosion oder Freisetzung toxischer Substanzen kann in Abhängigkeit von der Batteriechemie spontan, während der Aufladung, während der Stromentnahme oder nach Fremdeinwirkung vorkommen. Besonders Lithium-Ionen-Batterien oder Lithiummetall- Luft- oder Zink-Luft-Batterien sind für Gefahren dieser Art bekannt, beispielsweise durch Kurzschlüsse aufgrund von Dentritenwachstum. Abhilfe kann geschaffen werden durch die Auswahl eigensicherer Batterie-Chemien, z.B. auf Basis von Lithium-Eisenphosphat- Elektroden oder durch Einsatz leistungsfähiger Trennmembranen.

Moderne Traktionsbatterien weisen Spannungen bis zu 750 Volt und Ströme bis zu 200 A auf. In Einzelfällen können noch höhere Spannungen oder Ströme benötigt werden. Im Falle einer Verunfallung könnten in all diesen Ausführungen hochstrom- und

hochspannungsführende Kontakte oder Leitungen abgerissen werden, die wiederum Bauteile unter Spannung setzen können, welche auch von den Passagieren oder Rettungskräften berührt werden. Diese Gefahren können in der Regel durch wirksame Abschaltvorrichtungen, z.B. Abschaltschütze verhindert werden.

Dennoch kann es vorkommen, dass die Batterie seilbst durch eine Verunfallung mechanisch beeinträchtigt oder zerstört wird und somit die innen liegende Verkabelung mit berührbaren Teilen in Verbindung kommen kann, beispielsweise dem Metallgehäuse. Auch im Servicefall werden nach Öffnung des Batteriegehäuses hochspannungsführende Leitungen zugänglich. Dadurch sind erhöhte Anforderungen an das Servicepersonal und die Ausstattung der Werkstätten zu stellen.

Diese Erfindung beschreibt eine Batterie, die diese Problemstellung löst, da deren

Komponenten außerhalb des störungsfreien Betriebs keine erhöhten und damit potentiell gefährlichen Spannungen oder Ströme aufweisen können. Die benötigten hohen

Spannungen und Ströme werden nur dann bereitgestellt wenn ein planmäßiger

Betriebszustand gegeben ist. In allen anderen Fällen z.B. im Ruhe- oder Wartungszustand sowie bei Störungen oder Verunfallungen sind potentiell gefährliche Spannungen oder Ströme weder an den Batteriekontakten noch innerhalb der Batterie anzutreffen.

Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Batterie besteht aus einer Zusammenschaltung einzelner Module, die selbst nur Spannungen unterhalb der Gefahrenschwelle besitzen. Ein durch Sensoren und Signalgeber mit Informationen versorgtes Sicherheitsmanagement sorgt durch Ansteuerung eines zweistufigen Batteriemanagement dafür, dass die Module nur bei ordnungsgemäßen Betrieb leitend geschaltet werden und nur in diesem Fall Strom entnommen werden kann. Im Störfall, Standby oder bei Wartungen ist die Stromführung auf Ebene der Batteriemodule unterbrochen geschaltet, sodass an keiner Stelle der Batterie gefährliche Spannungen anliegen können.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen eigensicheren Batterie basiert auf folgendem Vorgehen:

• Das Zentrale Batteriemanagement-Modul sendet bei ordnungsgemäßem Betrieb in kurzen Abständen ein Statussignal, das„AH Clear Signal".

• Zellen sind im Grundzustand, d.h. wenn kein Signal anliegt, immer ausgeschaltet

• Mit Empfang des„All Clear Signals" schalten die Module leitend und bleiben dies, solange das„All Clear Signal" anliegt.

• Mit Einstellung des„All Clear Signals" schalten alle Module sofort auf nicht leitend. Alternativ kann ein„Disconnecf'-Signal im Abschaltfall erzeugt und verteilt werden, das den Abschaltvorgang der Schalt-Module bewirkt.

Dieses Konzept wird durch folgende Komponenten realisiert

1. Batterie-Module

2. Schalt-Module

3. Lokale Batteriemanagement-Module

4. Zentraler Batteriemanagement-Modul

5. Sicherheitsmanagement-Modut

6. Batterieinterne Sensoren und Signalgeber

7. Externe Sensoren und Signalgeber

8. Zentrale Abschalteinheit

Im Folgenden sind die genannten Einzeikomponenten der eigensicheren Batterie

beschrieben:

1. Batterie-Module

Die Energie der Batterie wird in Einzelzellen gespeichert. Eine oder mehrere Einzelzellen werden zu Batterie-Modulen zusammengeschaltet.

Es können Zellen unterschiedlicher Batteriechemien zur Herstellung der Batterie verwendet werden, z.B. Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen, andere auf Lithiumhattige Elektroden basierte Zellen oder Redoxsysteme wie z.B. Zink-Luftzelien.

Die Einzelzellen werden dabei auf unterschiedliche Weise zu Batteriemodulen

zusammengefasst. Abbildung 3 zeigt mögliche Modulausführungen. Die kleinste

Moduleinheit besteht aus einer einzelnen Zelle. Vorzugsweise werden jedoch mehrere Zellen in Reihe geschaltet, sodass geeignete Modul-Spannungen erzeugt werden können.

Beispielsweise können 10 oder 12 Lithium-Eisenphosphat-Zellen mit einer Zellspannung von 3,2 V zu einem Modul in Reihe geschaltet werden, sodass Module mit 32 V oder 38 V entstehen. Die Einzelzeilen können innerhalb eines Moduls auch parallel geschaltet werden, sodass sich höhere Speicherkapazitäten oder Ströme entstehen. Vorzugsweise werden Zellen sowohl in Reihe geschaltet, um gewünschte Spannungen zu erzielen, als auch parallel geschaltet um gewünschte Stromstärken oder Speicherkapazitäten zu erhalten. Dabei sind sämtliche Kombinationen von Serien und Reihen möglich. Die Modulspannung sollte unterhalb eines Levels liegen, dass bei Kontakt potentiell gefährlich sein kann, z.B. bei 36 V oder 48 V. Abbildung 1 und 2 zeigen den Aufbau der Batterie. Jeweils ein Batterie-Modul wird dabei erfindungsgemäß mit einem Schalt-Modul und einem Lokalen Batteriemanagement-Modul zu einer Einheit aggregiert. Diese Einheiten werden dann in Reihe geschaltet. Die

Modulspannung multipliziert mit der Anzahl der Einheiten ergibt die Batteriespannung.

(Abbildung 1). Zusätzlich können die gewählten Reihen auch parallel geschaltet werden. (Abbildung 2).

2. Schalt-Modul

Ein Charakteristikum der erfindungsgemäßen Batterie ist der Schaltmodul der jeweils einem Batteriemodul zugeordnet ist. Der Schaltmodul dient dazu, den betreffenden Batteriemodul zu- oder abzuschalten

Technisch besteht der Schaltmodul aus einer Steuereinheit zur Signalgenerierung und einem schaltenden Bauteil. Als Schaltbauteil kann ein Relais, ein Schütz oder ein Leistungsschalter z.B. ein MOSFET dienen. Die Steuereinheit erhält vom lokalen Batteriemanagement-Moduf ein Signal, das den ordnungsgemäßen Zustand der Batterie und es Verbrauchers

bezeichnet Das Signa! wird vorzugsweise als kontinuierliche Pulsfolge gegeben. Solange die Pulsfolge empfangen wird, erzeugt die Steuereinheit das Signal zum Anziehen des Relais oder des Schützes. Bei Ausführung mit einem Leistungsschalter schaltet sie den MOSFET in den leitenden Zustand und hält diesen solange aufrecht, solange das Pulssignal anliegt.

Vorzugsweise wird der Schaltmodul als eine parallele Schaltung eines Leistungsschalters mit einem Relais ausgeführt. Wenn Batterien mit induktiven Lasten genutzt werden, entstehen beim Abschaltvorgang sehr hohe Spannungen. Die bedingt dass qualitativ hochwertige und damit teuere Schütze oder Relais einzusetzen sind. Alternativ können Leistungsschalter wie MOSFETs eingesetzt werden. MOSFETs mit entsprechend hohen Sperrspannungen weisen allerdings immer noch recht hohe Innenwiderstände auf, sodass aufgrund des

Spannungsabfalls relativ hohe Verluste entstehen. Insofern wird vorzugsweise eine

Schaiteinheit gewählt, in der ein Relais und ein MOSFET parallel geschaltet werden. Im leitenden Zustand fließt der Strom aufgrund des sehr geringen Innnenwiderstandes vornehmlich über das Relais. Beim Schaltvorgang wird nun zuerst das Relais abgeschaltet und ganz kurze Zeit später der MOSFET. Auf diese Weise wird das Relais nicht mit erhöhten Abschaltspannungen belastet und kann somit relativ klein und preiswert dimensioniert werden. Der MOSFET wird noch einige Millisekunden leitend gehalten, indem das Gate kurzzeitig noch aus einer Abschaltverzögerung versorgt wird, vorzugsweise indem ein Kondensator nach Abschalten des Haltesignals entladen wird.

Alternativ kann der Abschalt- Modul nur bei einem Teil der in Reihe geschalteten Batterie- Module zugeschaltet werden. Bei Parallel-Schaltungen können einzelne Reihe stillgelegt oder zugeschaltet werden, ohne dass die ganze Batterie stromlos geschaltet wird. So können z.B. Reserve-Schaitungen realisiert werden, die im klassischen Kraftfahrzeug dem Reserve-Tank entsprechen.

3. Lokales Batteriemanagement-Modul

Die Lokalen Batteriemanagement-Module haben im Interesse einer zyklenschonenden Stromentnahme und zyklenschonenden Ladung folgende klassische Aufgaben:

• Lastmanagement

• Ausbalancieren der Zeilen.

Es können aktive oder passive Systeme zum Einsatz kommen.

Weiterhin erfassen die lokalen Batteriemanagement-Module Daten von in den zugehörigen Batteriemodulen wie z.B. Spannungen oder Ströme. Darüber hinaus verarbeiten sie Signale batterieintegrierter Sensoren, z.B. die Batteriemodul-Temperatur oder Verletzungen oder Manipulationen am Modulgehäuse.

Die beschriebenen Daten werden vom Lokalen Batteriemanagement-Modul zum Zentralen Batteriemanagement-Modul weitergeleitet, von diesem zum Sicherheitsmanagement-Modul weitergeleitet und dort verarbeitet.

Daneben haben die Lokalen Batteriemanagement-Module erfindungsgemäß die Aufgabe, das„All-Clear" und„Disconnecf-Signal, das vom Sicherheitsmanagement über das zentrale Batteriemanagement zur Verfügung gestellt wird, zu verarbeiten und das Schaltsignal an das zugehörige Scha!tmodui weiterzuleiten.

Die Schalt-Module können alternativ auch direkt vom Zentralen Batteriemanagement angesteuert werden.

4. Zentrales Batteriemanagement-Modul

Das zentrale Batteriemanagement hat folgende klassische Aufgaben:

• Zellschutz vor Überspannung, Tiefentladung, Temperatur • Ladekontralle

• Lastmanagement

• Bestimmung des Ladezustandes

• Bestimmung der Zellgesundheit

• Aufzeichnung der Batteriehistorie

• Authentifizierung und Identifizierung

• Kommunikation.

Das erfindungsgemäße Zentrale Batteriemanagement-Modul hat dazu hin folgende

Aufgaben:

• Bereitstellung des All-Clear-Signals vom Sicherheitsmangement an die Lokalen Batteriemanagement-Module

• Verarbeiten des Disconnect-Signals vom Sicherheitsmanagement, ggf. Verteilung an die Lokalen Batteriemanagement-Module.

Die Kommunikation zwischen dem Zentralen Batteriemanagement-Modul, dem

Sicherheitsmanagement-Modul und den Lokalen Batteriemanagement-Modulen erfolgt auf einer gemeinsam genutzten Datenleitung. Dabei sind diese Komponenten als dienten z.B. eines CA N- Bus-Systems anzusprechen.

5. Sicherheitsmanagement-Modul

Das Sicherheitsmanagement-Modul erfasst und analysiert die Daten batterieintemer und - externer Signalgeber, Datenquellen und Sensoren. Aufgrund der Signallage überprüft das Modul, ob ein ordnungsgemäßer Betriebszustand vorliegt Weiterhin prüft es, ob von der Batterie Strom bezogen werden soll, ob Strom rückgespeist werden soll oder ob die Batterie geladen werden soll.

Nur in dem Fall, dass sowohl ein ordnungsgemäßer Zustand also auch einer der drei genannten Operationen vorliegt, gibt das Sicherheitmanagement-Modul ein Freigabesignal, das sogenannte„AI! Clear Signal". Das„AU Clear Signal" ist vorzugsweise eine Pulsfolge, die fortlaufend gesendet wird, solange der ordnungsgemäße Betriebszustand anhält und eine Operation durchgeführt wird.

Werden von den internen oder externen Signalgebern oder Sensoren Signale erhalten, die eine Störung oder einen Unfall anzeigen, z.B. vom Airbag oder dem Molded Interconnect Device (MID) der Batterie, gibt das Sicherheitsmanagement ein Disconnect-Signal, das die Sendung des All-Clear-Signals sofort beendet Dadurch unterbrechen alle Schalt-Module sofort den Stromfluss. Alternativ kann die Sendung des„AH Clear Signals" im Störfall eingestellt werden.

6. Batterieinteme Sensoren und Signalgeber

Neben der Messung von Spannung und Stromstärke können batterieinteme Sensoren die Temperatur im Batteriemodul sowie weitere Daten, z.B. zur Unversehrtheit der

Modulgehäuse erfassen.

Dazu wird das Warnsignal mithilfe eines Molded Interconnect Device (MID) erzeugt. Als Molded Interconnect Device (Spritzgegossener Schaltungsträger) werden elektronische Bauteile bezeichnet, bei denen metallische Leiterbahnen auf spritzgegossene

Kunststoffträger aufgetragen werden. Es wird eine MID Struktur auf der Oberfläche des Modulgehäuses aufgebracht, kleine Stromflüsse oder Kapazitäten angelegt und diese überwacht Eine Zerstörung des Gehäuses erzeugt eine Änderung, die als Signal ausgegeben wird.

Die Batterieintemen Sensoren sind vorzugsweise an die Lokalen Batterie management- Module angeschlossen. Diese erfassen die Signale und geben diese an das Zentrale- Batterie management weiter. Sicherheitsrelevante Daten werden zum

Sicherheitsmangement-Modul weitergeleitet.

7. Externe Sensoren und Signalgeber

Signale externen Signalgebern und Sensoren sowie sicherheitsrelevante Daten der Fahrzeugsteuerung werden an das Sicherheitsmanagement-System übergeben, vorzugsweise über CAN-Bus. Beispiele sind:

• Anforderung Strombezug: Gaspedal-Betätigung

• Anforderung Lademodus: Steckerkontakt Ladekabel

• Alarm: Auslöser des Airbags.

8. Zentrale Abschalteinheit

Die Zentrale Abschalteinheit besteht in der Regel aus einem Hauptschütz, das beide Phasen trennt. Alternativ können die Konzepte der Schalt-Module zum Einsatz kommen. Gesteuert wird die Zentrale Abschalteinheit vom Zentralen Batteriemanagement-System.

Alternativ kann ein kaskadierendes System zum Einsatz kommen, bei dem zunächst das Hauptschütz stromlos schaltet und dann in kurzer Folge die Schalt-Module. In diesem Fall können einfachere Relais zu Einsatz kommen, die die Module isolieren. Alle Module können physikalisch getrennt als Einzelkornponenten aufgebaut werden oder können als logische Module verstanden werden, die zu integrierten Einheiten

zusammengefasst werden. Insbesondere kann das Sicherheitsmanagement- und das zentrale Batteriemanagement-Modul vorteilhaft in einer Baueinheit zusammengefasst werden. Die Batteriemodule können zusammen mit dem Schaltmodul und dem lokalen Batteriemanagement-Modul vorzugsweise jeweils in einem Gehäuse zusammengebaut werden.

Konstruktive Ausführung

Das Gehäuse der Gesamtbatterie kann vorzugsweise als stabile Rahmenkonstruktion - z.B. in Art eines Schubladenschrankes - mit innen liegenden Führungsschienen ausgeführt werden. Auf den Führungsschienen werden die Batteriemodule in eigenem Gehäuse hintereinander in die Fächer der Rahmenkonstruktion eingeschoben.

Auf der Vorderseite der Batteriemodulgehäuse befinden sich vorzugsweise

Steckverbindungen (femafe) für Strom (ein Pol), Daten und Kühlung (Zufuhr), die beim Einschieben in entsprechende Gegen Verbindungen (male) in der Rückwand des

Gesamtbatteriegehäuses einkoppeln.

Auf der Rückseite der Batteriemodule befinden sich an denselben Positionen die

entsprechenden Verbindungen (male) für Strom (der andere Pol), Daten und Kühlung (Ableitung). Dadurch können mehrere Module hintereinander eingeschoben und dabei miteinander verbunden werden.

Der Frontdeckel enthält an den zugeordneten Positionen der Fächer female-Kontakte für Strom und Kühlung, die beim Schließen des Deckels einkoppeln. So werden die

Verbindungen der kompletten Batterie hergestellt und eine Freischaltung kann wie beschrieben vorgenommen werden. Statt eines Frontdeckels können auch die einzelnen Fächer mit einzelnen Deckeln verschlossen werden oder es werden die Fächerreihen jeweils mit einem Deckel verschlossen. Auf diese Weise kann auf sehr einfache Weise die Wartung der Batterie vorgenommen werden oder einzelne Module oder das gesamte Set der Module ausgetauscht werden. In jedem Fall ist ein Kontakt mit Teilen ausgeschlossen, die potentiell gefährliche Spannungen aufweisen könnten. Die Gehäuseverkleidung kann vorzugsweise in ABS, GFK oder PU-Sandwich mit Schaumzwischenlage oder als Aluminium-Sandwich ausgeführt werden. Optional kann darauf das MI D-System aufgebracht werden.