DE102008063136A1

DE102008063136A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008063136A1
Application number: DE102008063136A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Falsett; Rainer Dr. Mäckel; Thomas Dr.-Ing. Schulz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2009-09-17
Also published as: CN102334226A; WO2010072633A1; EP2368289A1; US20110273809A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie (1) in einem Fahrzeug. Erfindungsgemäß wird die Lithium-Ionen-Batterie (1) bei thermischer und/oder elektrischer Überlastung von einem Bordnetz (4) eines Fahrzeugs getrennt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie (1) in einem Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
Herkömmliche Batterien können unter starker Belastung oder bei Überlastung (z. B. bei Überladung oder zu hohem Entladestrom, beispielsweise bei einem Kurzschluss), im Schadensfall (z. B. Unfall, Elektrolytzersetzung) oder sogar im Normalbetrieb bei starker Erhitzung von außen in einen thermisch unkontrollierbaren Zustand geraten. Dabei können sie überhitzen, einen gefährlichen inneren Druck (auch Zelleninnendruck genannt) bis hin zum Bersten oder Explodieren der Zelle und des Gehäuses aufbauen, wodurch gefährliche Stoffe freigesetzt werden. Speziell im Bereich moderner Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien besteht eine besondere Gefährdung, da diese Batterien flüssige, brennbare, organische Elektrolyte enthalten. Diese Batterien können unter ungünstigen Umständen in Brand geraten und stellen ein sicherheitstechnisches Problem dar. Deshalb sind in herkömmlichen Batterien Sicherheitsventile integriert, die einen Überdruck der Batterie kontrolliert ablassen und die bei einer Auslösung einen Brand oder eine thermische Zerstörung der Batterie verhindern sollen. Dadurch wird eine herkömmliche Batterie irreversibel beschädigt und muss ausgetauscht werden.
Eine herkömmliche Batterieelektronik dient zur Ermittlung bestimmter Parameter und/oder Betriebszustände eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie eines Kraftfahrzeugs. Diese Betriebszustände sind beispielsweise der so genannte Ladungszustand, auch bekannt unter State of Charge (SOC), die Batteriealterung, auch bekannt unter State of Health (SOH) sowie die Fähigkeit, bestimmte Fahrzeugfunktionen auszuführen, auch bekannt unter State of Function (SOF). Die genannten Größen sind bei einer Fahrzeugbatterie im Betrieb nicht direkt messbar, sondern werden aus den physikalisch zugänglichen Parametern Spannung, Strom und Temperatur der Batterie berechnet.
In herkömmlichen Fahrzeugen ist ein Trenner, beispielsweise als pyrotechnischer Schalter, Relais und/oder reversible Sicherung ausgebildet, vorhanden. Dieser Trenner wird als Crashabschaltung benutzt und trennt bei einem Unfall ein Bordnetz von einer Batterie. Dadurch wird das Bordnetz gegen Kurzschlüsse und daraus entstehende Brände oder dergleichen geschützt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie und eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die im Anspruch 4 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie in einem Fahrzeug wird die Lithium-Ionen-Batterie bei thermischer und/oder elektrischer Überlastung von einem Bordnetz eines Fahrzeugs getrennt.
Mittels einer Batterieelektronik werden zweckmäßigerweise automatisch Parameter der Lithium-Ionen-Batterie überwacht.
Als wenigstens ein Parameter der Lithium-Ionen-Batterie werden ein Stromwert, ein Spannungswert, ein Temperaturwert und/oder ein Zellinnendruck ermittelt.
In einer Lithium-Ionen-Batterie steigt eine Temperatur und ein Innendruck bei einer Fehlfunktion, beispielsweise bei einem Kurzschluss oder einer Überladung, erheblich an, da eine in der Lithium-Ionen-Batterie enthaltene elektrochemisch aktive Masse, beispielsweise ein Metalloxid oder Metallphosphat, thermisch instabil ist und sich oberhalb einer bestimmten Temperatur in einer exothermen Reaktion irreversibel zersetzt. Durch diesen Zersetzungsvorgang erwärmt sich die Lithium-Ionen-Batterie noch weiter und der Innendruck steigt weiter an. Dies kann dazu führen, dass eine solche Lithium-Ionen-Batterie explodiert und/oder schädliche Stoffe freisetzt.
Um dies zu verhindern, ist mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine Verbindung zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und einem Bordnetz in dem Fahrzeug bereits vor einer Explosion und/oder einer Freisetzung schädlicher Stoffe dauerhaft unterbrechbar.
In einer möglichen Ausführungsform ist ein Trenner im Fahrzeug zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und dem Bordnetz angeordnet. Dadurch ist die Lithium-Ionen-Batterie bei thermischer und/oder elektrischer Überlastung von dem Bordnetz des Fahrzeugs mittels des Trenners trennbar.
Zweckmäßigerweise ist der Trenner beispielsweise als ein Relais, eine reversible Sicherung oder ein pyrotechnischer Schalter ausgebildet.
Die Parameter der Lithium-Ionen-Batterie sind automatisch mittels einer Batterieelektronik überwachbar.
Mittels einer Erfassungseinheit sind als Parameter ein Stromwert, ein Spannungswert, ein Temperaturwert und/oder ein Zellinnendruck ermittelbar. Somit ist ein kritischer Zustand der Lithium-Ionen-Batterie bereits frühzeitig erkennbar und die Lithium-Ionen-Batterie kann bei einem Überschreiten von in der Batterieelektronik hinterlegten Grenzwerten mittels des Trenners von der Batterieelektronik gesteuert vom Bordnetz getrennt werden.
Vorzugsweise ist eine solche Lithium-Ionen-Batterie in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb oder in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug einsetzbar. Diese Fahrzeuge benötigen sehr leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien, welche auf einem sehr begrenzten Bauraum unterzubringen sind. Bei den in derartigen Fahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien ist ein sehr hohes Schutzniveau sicherzustellen, da eine Beschädigung einer oder mehrerer Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise eine Explosion und/oder den Austritt von schädlichen Stoffen aus den Lithium-Ionen-Batterien, sowohl für das Fahrzeug als auch für Insassen schwerwiegende Folgen haben könnte, beispielsweise Beschädigungen des Fahrzeugs, Vergiftungen und/oder Verätzungen der Insassen, bei Überhitzung der Lithium-Ionen-Batterie ein Brand des Fahrzeugs oder ein durch eine Explosion der Lithium-Ionen-Batterie oder deren Auswirkungen verursachter Unfall des Fahrzeugs. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist sicherstellbar, dass derartige Fahrzeuge effizient und sicher betreibbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Bordnetz.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Lithium-Ionen-Batterie 1 in einem Bordnetz 4 eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs automatisch mittels einer Batterieelektronik 2 überwacht.
Die Batterieelektronik 2 überwacht mittels einer Erfassungseinheit 6 automatisch Parameter und/oder Betriebszustände der Lithium-Ionen-Batterie 1. Als wenigstens ein solcher Parameter der Lithium-Ionen-Batterie 1 werden mittels der Batterieelektronik 2 ein Stromwert, ein Spannungswert, ein Temperaturwert und/oder ein Zellinnendruck ermittelt.
Der Stromwert der Lithium-Ionen-Batterie 1 wird beispielsweise mit einem so genannten Shunt-Widerstand gemessen. Das heißt, der über das Bordnetz 4, insbesondere eine Messeleitung des Fahrzeugs, in die Lithium-Ionen-Batterie 1 fließende Strom wird über einen Shunt-Widerstand geführt, wobei ein Spannungsabfall an dem Shunt-Widerstand entsteht, der proportional zum fließenden Strom ist. Die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung wird abgegriffen und einer elektrischen Messschaltung zur Auswertung des Signals, im Folgenden als Batterieelektronik 2 bezeichnet, zugeführt. Die Erfassungseinheit 6 enthält außerdem eine Vorrichtung zur Messung des Spannungswertes der Lithium-Ionen-Batterie 1 und/oder eine Vorrichtung zur Messung des Temperaturwertes, sowie eine Vorrichtung zur Messung des Zellinnendrucks der Lithium-Ionen-Batterie 1.
Die Vorrichtung zur Messung des Temperaturwertes wird vorzugsweise durch einen Temperatursensor, beispielsweise einen Platintemperatursensor, einen so genannten NTC-Temperatursensor (Negative Temperature Coefficient – Heissleiter) oder PTC-Temperatursensor (Positive Temperature Coefficient – Kaltleiter), gebildet.
Die Vorrichtung zur Messung des Zellinnendrucks wird vorzugsweise durch einen Drucksensor, beispielsweise einen piezoresistiven, einen piezoelektrischen oder einen kapazitiven Drucksensor, gebildet.
In der Batterieelektronik 2 sind Grenzwerte für die einzelnen Parameter abgespeichert und bei einem Überschreiten dieser Grenzwerte wird ein Trenner 3 von der Batterieelektronik 2 gesteuert geöffnet. Ein Überschreiten dieser Grenzwerte findet vor allem bei einer Überladung oder einem Kurzschluss statt.
Die Batterieelektronik 2 und die Erfassungseinheit 6 sind vorzugsweise in oder an einem Gehäuse der Lithium-Ionen-Batterie 1 räumlich integriert angeordnet.
Der Trenner 3 ist zwischen dem Bordnetz 4 und der Lithium-Ionen-Batterie 1 angeordnet. Bei einem Öffnen des Trenners 3 wird die Lithium-Ionen-Batterie 1 elektrisch von dem Bordnetz 4 und mindestens einem darin angeordneten Verbraucher 5 getrennt. Ein solcher Trenner ist beispielsweise als ein Relais, eine reversible Sicherung oder ein pyrotechnischer Schalter ausgebildet. Räumlich kann dieser Trenner auch im Gehäuse der Batterie angeordnet sein.
Der pyrotechnische Schalter ist derart ausgebildet, dass eine pyrotechnische Ladung in einen Strompfad integriert ist und der Strompfad ist durch Zündung der pyrotechnischen Ladung derart auftrennbar, dass ein Stromfluss unterbrochen ist. Diese Zündung der pyrotechnischen Ladung ist von der Batterieelektronik 2 steuerbar Mittels der Batterieelektronik 2 und der Erfassungseinheit 6 ist ein kritischer Zustand der Lithium-Ionen-Batterie 1 bereits frühzeitig erkennbar und die Lithium-Ionen-Batterie 1 kann bei einem Überschreiten von in der Batterieelektronik 2 hinterlegten Grenzwerten mittels des Trenners 3 von der Batterieelektronik 2 gesteuert vom Bordnetz 4 und mindestens einem darin angeordneten Verbraucher 5 getrennt werden.
In der Lithium-Ionen-Batterie 1 steigt eine Temperatur und ein Innendruck bei einer Fehlfunktion, beispielsweise bei einem Kurzschluss oder einer Überladung, erheblich an, da eine in der Lithium-Ionen-Batterie 1 enthaltene elektrochemisch aktive Masse, beispielsweise Metalloxid oder Metallphosphat, thermisch instabil ist und sich oberhalb einer bestimmten Temperatur in einer exothermen Reaktion irreversibel zersetzt. Durch diesen Zersetzungsvorgang erwärmt sich die Lithium-Ionen-Batterie 1 noch weiter und der Innendruck steigt weiter an. Dies kann dazu führen, dass eine solche Lithium-Ionen-Batterie 1 explodiert und/oder schädliche Stoffe freisetzt.
Um dies zu verhindern, ist mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine Verbindung zwischen der Lithium-Ionen-Batterie 1 und einem Bordnetz 4 in dem Fahrzeug bereits vor einer Explosion und/oder einer Freisetzung schädlicher Stoffe dauerhaft unterbrechbar.
Vorzugsweise ist eine solche Lithium-Ionen-Batterie 1 in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb, in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug oder einem batterieelektrischen Fahrzeug einsetzbar. Ebenso ist eine solchen Lithium-Ionen-Batterie 1 als Starter- und Boprdnetzbatterie in einem konventionellen Fahrzeug einsetzbar. Diese Fahrzeuge benötigen sehr leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien 1, welche auf einem sehr begrenzten Bauraum unterzubringen sind. Bei den in derartigen Fahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien 1 ist ein sehr hohes Schutzniveau sicherzustellen, da eine Beschädigung einer oder mehrerer Lithium-Ionen-Batterien 1, beispielsweise eine Explosion und/oder den Austritt von schädlichen Stoffen aus den Lithium-Ionen-Batterien 1, sowohl für das Fahrzeug als auch für Insassen schwerwiegende Folgen haben könnte, beispielsweise Beschädigungen des Fahrzeugs, Vergiftungen und/oder Verätzungen der Insassen, bei Überhitzung der Lithium-Ionen-Batterie 1 ein Brand des Fahrzeugs oder ein durch eine Explosion der Lithium-Ionen-Batterie 1 oder deren Auswirkungen verursachter Unfall des Fahrzeugs. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist sicherstellbar, dass derartige Fahrzeuge effizient und sicher betreibbar sind.

1: Lithium-Ionen-Batterie
2: Batterieelektronik
3: Trenners
4: Bordnetz
5: Verbraucher
6: Erfassungseinheit

Claims

Verfahren zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie (1) in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass bei thermischer und/oder elektrischer Überlastung der Lithium-Ionen-Batterie (1) diese von einem Bordnetz (4) eines Fahrzeugs getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Batterieelektronik (2) automatisch Parameter der Lithium-Ionen-Batterie (1) überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens ein Parameter der Lithium-Ionen-Batterie (1) ein Stromwert, ein Spannungswert, ein Temperaturwert und/oder ein Zellinnendruck ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Über- und/oder Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes mindestens einer der Parameter die Lithium-Ionen-Batterie (1) vom Bordnetz (4) getrennt wird.
Vorrichtung zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie (1) in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Ionen-Batterie (1) bei thermischer und/oder elektrischer Überlastung von einem Bordnetz (4) eines Fahrzeugs mittels eines Trenners (3) trennbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenner (3) ein Relais ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenner (3) eine reversible Sicherung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenner (3) ein pyrotechnischer Schalter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Schalter derart ausgebildet ist, dass eine pyrotechnischen Ladung in einen Strompfad integriert ist und der Strompfad durch Zündung der pyrotechnischen Ladung derart auftrennbar ist, dass ein Stromfluss unterbrochen ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Lithium-Ionen-Batterie (1) automatisch mittels einer Batterieelektronik (2) überwachbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Erfassungseinheit (6) zur Erfassung mindestens eines der Parameter ein Stromsensor, ein Spannungssensor, ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor vorgesehen ist oder sind.