DE202020005525U1 - Arrangement of a battery and electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Batterie-Anordnung für ein Kraftfahrzeug, mit
einer Batterie (12), welche ein Batteriegehäuse (16) und eine Mehrzahl von Batteriezellen (20) aufweist, wobei die Batteriezellen (20) in dem Batteriegehäuse (16) angeordneten sind,
einer Schutzplatte (30), welche zumindest an einer Seite der Batterie (12) angeordnet ist, und
einer Schadensdetektionsvorrichtung (40), welche ein Schadensindikatormittel (42) aufweist, wobei das Schadensindikatormittel (42, 44, 46, 48) an der Schutzplatte (30) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schadensindikatormittel (42, 44, 46, 48) in die Schutzplatte (30) eingebettet ist.
Battery arrangement for a motor vehicle, with
a battery (12) which has a battery housing (16) and a plurality of battery cells (20), the battery cells (20) being arranged in the battery housing (16),
a protective plate (30) which is arranged on at least one side of the battery (12), and
a damage detection device (40) which has a damage indicator means (42), the damage indicator means (42, 44, 46, 48) being arranged on the protective plate (30),
characterized in that
the damage indicator means (42, 44, 46, 48) is embedded in the protective plate (30).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterie-Anordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Batterie, welche ein Batteriegehäuse und eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, wobei die Batteriezellen in dem Batteriegehäuse angeordneten sind, einer Schutzplatte, welche zumindest an einer Seite der Batterie angeordnet ist, und einer Schadensdetektionsvorrichtung, welche ein Schadensindikatormittel aufweist, wobei das Schadensindikatormittel an der Schutzplatte angeordnet ist.The invention relates to a battery arrangement for a motor vehicle, with a battery which has a battery housing and a plurality of battery cells, the battery cells being arranged in the battery housing, a protective plate which is arranged at least on one side of the battery, and a damage detection device which has a damage indicator means, the damage indicator means being arranged on the protective plate.
Derartige Batterien werden üblicherweise bei einem Elektrofahrzeug eingesetzt und dienen der Speicherung von elektrischer Energie und der Versorgung einer Antriebseinheit mit elektrischer Energie im Fahrbetrieb. Die Batterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von Batteriezellen auf, welche in einem Batteriegehäuse angeordnet sind und elektrisch miteinander verschaltet sind. Alternativ sind die Batteriezellen in mehrere Batteriemodule aufgeteilt, wobei die Batteriezellen innerhalb der Batteriemodule elektrisch miteinander verschaltet sind und die Batteriemodule wiederum miteinander elektrisch verschaltet sind.Batteries of this type are usually used in an electric vehicle and are used to store electrical energy and to supply a drive unit with electrical energy when driving. The batteries usually have a multiplicity of battery cells which are arranged in a battery housing and are electrically connected to one another. Alternatively, the battery cells are divided into a plurality of battery modules, the battery cells being electrically connected to one another within the battery modules and the battery modules being in turn electrically connected to one another.
Um die entsprechende elektrische Antriebsenergie für eine relativ hohe Reichweite des Elektrofahrzeugs bereitzustellen, weisen die Batterien aufgrund der Vielzahl von Batteriezellen einen relativ großen Bauraum auf, wobei die Batterien in der Regel am Unterboden des Elektrofahrzeugs angeordnet werden, da am Unterboden der erforderliche Bauraum zur Verfügung steht. Die Unterbodenbatterien sind üblicherweise durch eine Schutzplatte vor von der Fahrbahn hochgeschleuderten Gegenständen geschützt, wobei derartige Gegenstände trotz der Schutzplatte eine Verformung des Batteriegehäuses verursachen oder sogar durch das Batteriegehäuse dringen könnten und dadurch die Batteriezellen beschädigt werden könnten. Dabei wird die Schutzplatte durch den hochgeschleuderten Gegenstand sehr stark verformt oder sogar durchschlagen. Eine Beschädigung der Batteriezellen kann zu einer Entgasung der Batteriezellen bis hin zu einem Brand der gesamten Batterie führen.In order to provide the corresponding electrical drive energy for a relatively long range of the electric vehicle, the batteries have a relatively large installation space due to the large number of battery cells, the batteries usually being arranged on the underbody of the electric vehicle, since the necessary installation space is available on the underbody . The underbody batteries are usually protected by a protective plate from objects thrown up from the roadway, such objects, despite the protective plate, causing deformation of the battery housing or even penetrating through the battery housing and thereby damaging the battery cells. The protective plate is severely deformed or even punctured by the object being thrown up. Damage to the battery cells can lead to degassing of the battery cells or even to a fire in the entire battery.
Ein Ausfall der Batterie wird üblicherweise durch ein Batteriemanagementsystem erkannt. Eine derartige Verformung oder ein derartiger Durchschlag des Batteriegehäuses wird jedoch durch das Batteriemanagementsystem nicht unmittelbar und zu spät detektiert, da die betroffenen Batteriezellen noch nicht merklich beschädigt sein könnten. Eventuell sind die Batteriezellen allerdings so beschädigt, dass ein baldiger Ausfall zu befürchten ist oder Sicherheitsanforderungen nicht mehr eingehalten werden.Battery failure is usually recognized by a battery management system. Such a deformation or such a breakdown of the battery housing is not detected immediately and too late by the battery management system, since the battery cells concerned may not yet have been noticeably damaged. However, the battery cells may be so damaged that an imminent failure is to be feared or safety requirements are no longer met.
Die
Nachteilig an einem derartigen Deformationssensor ist, dass durch die Applikation des Deformationssensors auf die Schutzplatte der Herstellungsaufwand der Schutzplatte erhöht wird, wobei der Applikationsvorgang zusätzliche Applikationsvorrichtungen erfordert und zeitaufwändig ist.A disadvantage of such a deformation sensor is that the application of the deformation sensor to the protective plate increases the manufacturing cost of the protective plate, the application process requiring additional application devices and being time-consuming.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Batterie-Anordnung bereitzustellen, welche eine erhöhte Sicherheit bietet und dennoch einfach und kostengünstig realisiert werden kann.The object of the invention is therefore to provide a battery arrangement which offers increased safety and can nevertheless be implemented simply and inexpensively.
Dadurch, dass das Schadensindikatormittel in die Schutzplatte eingebettet ist, kann der Herstellungsaufwand reduziert werden, wobei im Herstellungsvorgang der Schutzplatte das Schadensindikatormittel in der Schutzplatte fixiert wird und damit unlösbar mit der Schutzplatte verbunden ist. Die Schutzplatte wird insbesondere durch ein Gießverfahren hergestellt, wobei das Schadensindikatormittel vor dem Gießvorgang in einer Gießform eingelegt wird und anschließend das Material der Schutzplatte in die Gießform eingefüllt wird. Im endgültigen, erstarrten Zustand der Schutzplatte ist das Schadensindikatormittel in der Schutzplatte form-, kraft- und/oder stoffschlüssig befestigt. Damit entfällt ein zusätzlicher Applikations- oder Montageschritt, um ein Schadensindikatormittel an der Schutzplatte vorzusehen.Because the damage indicator means is embedded in the protective plate, the manufacturing effort can be reduced, with the damage indicator means being fixed in the protective plate in the manufacturing process of the protective plate and thus permanently connected to the protective plate. The protective plate is produced in particular by a casting process, the damage indicator means being placed in a casting mold before the casting process and then the material of the protective plate being poured into the casting mold. In the final, solidified state of the protective plate, the damage indicator means is fastened in the protective plate in a form-fitting, non-positive and / or cohesive manner. This eliminates the need for an additional application or assembly step in order to provide a damage indicator means on the protective plate.
Durch das Schadensindikatormittel bzw. durch die Schadensdetektionsvorrichtung kann der Fahrer des Elektrofahrzeugs umgehend über eine Beschädigung der Schutzplatte und dadurch über eine mögliche Beschädigung der Batterie informiert werden. Dabei kann der Fahrer beispielsweise angewiesen werden, das Fahrzeug sofort zu verlassen oder umgehend eine Werkstatt aufzusuchen. Zusätzlich können geeignete Notmaßnamen eingeleitet werden, beispielsweise ein erweiterter Selbsttest der Batteriezellen, eine Abtrennung der beschädigten Batteriezellen oder eine vorbeugende Einstellung des Kühlsystems auf maximale Kühlleistung, um dadurch die Gefahr eines Brands des Batteriepacks zu reduzieren. Damit können durch eine derartige Schutzplatte die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Elektrofahrzeuges erhöht werden.The damage indicator means or the damage detection device can immediately inform the driver of the electric vehicle about damage to the protective plate and thereby about possible damage to the battery. For example, the driver can be instructed to leave the vehicle immediately or to visit a workshop immediately. In addition, suitable emergency measures can be initiated, for example an extended self-test of the battery cells, a disconnection of the damaged battery cells or a preventive setting of the cooling system to maximum cooling capacity, thereby reducing the risk of a fire in the battery pack to reduce. The safety and reliability of the electric vehicle can thus be increased by such a protective plate.
Vorzugsweise ist die Schutzplatte mehrlagig ausgeführt, wobei in einer der Lagen des Schutzelements das Schadensindikatormittel eingebettet ist. Eine mehrlagige Ausgestaltung dient dazu, die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils auf den entsprechenden Anwendungsfall einzustellen, wobei beispielweise unterschiedliche Werkstoffe, beispielsweise Metalle und Kunststoffe, oder unterschiedlich ausgestaltete Lagen aus einer einzigen Werkstoffgruppe, insbesondere aus der Werkstoffgruppe der Kunststoffe, miteinander kombiniert werden können, um mechanische Eigenschaften, welche durch einen einzigen Werkstoff nicht oder nur auf eine aufwendige und kostenintensive Weise erfüllbar sind, bereitzustellen. Dadurch können bei einer Schutzplatte insbesondere eine hohe Festigkeit und eine hohe Dämpfungseigenschaft realisiert werden. Das Schadensindikatormittel ist in einer der Lagen eingebettet.The protective plate is preferably designed in several layers, the damage indicator means being embedded in one of the layers of the protective element. A multi-layer configuration is used to adjust the mechanical properties of a component to the corresponding application, for example different materials, for example metals and plastics, or differently configured layers from a single material group, in particular from the material group of plastics, can be combined with one another to achieve mechanical Properties which cannot be fulfilled by a single material or can only be fulfilled in a complex and cost-intensive manner. In this way, in particular, high strength and high damping properties can be achieved in a protective plate. The damage indicator means is embedded in one of the layers.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schutzplatte zumindest dreilagig ausgeführt, wobei die das Schadensindikatormittel aufweisende Lage sandwichartig zwischen zwei anderen Lagen angeordnet ist. Dadurch kann das Schadensindikatormittel bzw. die das Schadensindikatormittel aufweisende Lage vor Umwelteinflüssen und Beschädigungen geschützt werden, wodurch die Funktion des Schadensindikatormittels gewährleistet werden kann.In a preferred embodiment, the protective plate has at least three layers, the layer having the damage indicator means being sandwiched between two other layers. As a result, the damage indicator means or the layer having the damage indicator means can be protected from environmental influences and damage, whereby the function of the damage indicator means can be guaranteed.
Vorzugsweise weist die Schutzplatte zumindest eine Lage aus einem faserverstärkten Kunststoff auf, wodurch die Schutzplatte eine relativ hohe Festigkeit aufweist und einen Schutz der Batterie auch bei höheren auf die Schutzplatte wirkenden Kräften gewährleistet.The protective plate preferably has at least one layer made of a fiber-reinforced plastic, as a result of which the protective plate has a relatively high strength and ensures that the battery is protected even in the event of higher forces acting on the protective plate.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzplatte zumindest eine Lage aus einem Strukturschaum auf. Dadurch weist die Schutzplatte eine Lage auf, welche einen Einschlag eines Gegenstands auf die Schutzplatte dämpft und dadurch die Gefahr einer Beschädigung der Batterie reduziert.In a preferred embodiment, the protective plate has at least one layer made of a structural foam. As a result, the protective plate has a position which dampens an impact of an object on the protective plate and thereby reduces the risk of damage to the battery.
Vorzugsweise weist das Schadensindikatormittel mindestens einen Dehnungsmessstreifen auf. Dadurch kann auf eine einfache und besonders kostengünstige Weise die Verformung der Schutzplatte detektiert werden. Die Messung mittels Dehnungsmessstreifen beruht auf dem Prinzip, dass in der Schutzplatte eingebettete Leiterbahnen bei geringsten mechanischen Spannungen ihren elektrischen Widerstand verändern, wobei der elektrische Widerstand erfasst wird und durch eine Auswerteinheit ausgewertet wird. Bei einer Verformung der Schutzplatte verformen sich auch die eingebetteten Leiterbahnen, so dass sich der elektrische Widerstand der Leiterbahnen verändert und eine Verformung der Schutzplatte detektiert wird.The damage indicator means preferably has at least one strain gauge. In this way, the deformation of the protective plate can be detected in a simple and particularly inexpensive manner. The measurement by means of strain gauges is based on the principle that the conductor tracks embedded in the protective plate change their electrical resistance with the slightest mechanical stress, the electrical resistance being recorded and evaluated by an evaluation unit. If the protective plate is deformed, the embedded conductor tracks are also deformed, so that the electrical resistance of the conductor tracks changes and a deformation of the protective plate is detected.
Vorzugsweise weist das Schadensindikatormittel mindestens einen optischen Abstandssensor auf, wobei der Abstand zwischen der Schutzplatte und der Batterie durch den Abstandssensor erfassbar ist, und wobei ein Schaden der Schutzplatte durch eine Veränderung des Abstandes zwischen der Schutzplatte und der Batterie detektierbar ist. Der Abstandssensor ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Wegesensor, beispielsweise ein Ultraschallsensor. Dabei wird die Schutzplatte und der in der Schutzplatte integrierter Abstandssensor mit einem festgelegten Abstand zur Batterie, d.h. zu einer der Schutzplatte zugewandten Außenfläche des Batteriegehäuses, montiert. Bei einer Beschädigung, insbesondere einer Verformung, der Schutzplatte verändert sich der Abstand zwischen der Schutzplatte und der Batterie, wobei die Abstandveränderung durch das Schadensindikatormittel erfasst wird und durch eine entsprechende Signalverarbeitungseinheit zu einem Ausgabesignal beispielsweise an den Fahrer verarbeitet wird. Die Abstandsveränderung kann sowohl eine Abstandsreduzierung als auch eine Abstandserhöhung, beispielsweise bei einer Verkippung der Schutzplatte, sein.The damage indicator means preferably has at least one optical distance sensor, the distance between the protective plate and the battery being detectable by the distance sensor, and damage to the protective plate being detectable by changing the distance between the protective plate and the battery. The distance sensor is a displacement sensor known from the prior art, for example an ultrasonic sensor. The protective plate and the distance sensor integrated in the protective plate are mounted at a specified distance from the battery, i.e. to an outer surface of the battery housing facing the protective plate. If the protective plate is damaged, in particular deformed, the distance between the protective plate and the battery changes, the change in distance being detected by the damage indicator means and being processed by a corresponding signal processing unit into an output signal, for example to the driver. The change in distance can be both a reduction in distance and an increase in distance, for example when the protective plate is tilted.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Schadensindikatormittel mindestens eine Kammer auf, welche mit einem Fluid gefüllt ist, wobei ein durch eine Beschädigung der Schutzplatte verursachtes Ausströmen des Fluids detektierbar ist. In der Schutzplatte ist mindestens eine Kammer vorgesehen, wobei durch die Verformung oder ein Durchdringen der Schutzplatte die Schutzplatte aufreißt und die Kammer mit der Umgebung verbunden wird, so dass das Fluid aus der Kammer austritt. Das austretende Fluid wird durch einen Sensor erfasst, wobei das Signal des Sensors verarbeitet und beispielsweise in ein Warnsignal an den Fahrer umgewandelt wird. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, wobei das Gas beispielsweise ein Rauch ist, welcher sich aufgrund einer chemischen Reaktion bei Beschädigung der Schutzplatte entwickelt. Dadurch kann die Beschädigung der Schutzplatte auf eine einfache und kostengünstige Weise detektiert werden.In a preferred embodiment, the damage indicator means has at least one chamber which is filled with a fluid, an outflow of the fluid caused by damage to the protective plate being detectable. At least one chamber is provided in the protective plate, the protective plate tearing open due to the deformation or penetration of the protective plate and the chamber being connected to the environment, so that the fluid emerges from the chamber. The escaping fluid is detected by a sensor, the signal from the sensor being processed and, for example, converted into a warning signal to the driver. The fluid can be a liquid or a gas, the gas being, for example, smoke which develops due to a chemical reaction when the protective plate is damaged. As a result, the damage to the protective plate can be detected in a simple and inexpensive manner.
Vorzugsweise weist das Schadensindikatormittel ein elektrisch-leitendes Element auf, welches durch ein an der Batterie angeordnetes Eindringelement durchtrennbar ist. An dem elektrisch-leitenden Element erfolgt dauerhaft eine Prüfung der elektrischen Leitfähigkeit. Wenn die Schutzplatte derart beschädigt ist, dass der Abstand zwischen der Schutzplatte und der Batterie reduziert ist und das Eindringelement in die Schutzplatte eindringt, wird das elektrisch-leitende Element durchtrennt, wodurch die elektrische Leitfähigkeit abnimmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Schadensindikatormittel mehrere elektrisch-leitende und in Dickenrichtung durch elektrisch nicht-leitende Isolationselemente voneinander beabstandete Elemente auf, wobei in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des an der Batterie angeordneten Eindringelements die Höhe der Beschädigung der Schutzplatte ermittelbar ist. Dadurch kann die Höhe der Beschädigung der Schutzplatte bestimmt werden und in Abhängigkeit der Höhe der Beschädigung eine Reaktion ausgesendet werden.The damage indicator means preferably has an electrically conductive element which can be severed by a penetration element arranged on the battery. A permanent test of the electrical conductivity is carried out on the electrically conductive element. If the protective plate is damaged in such a way that the distance between the protective plate and the battery is reduced and the penetrating element penetrates into the protective plate, the electrically conductive element is severed, whereby the electrical conductivity decreases. In a preferred embodiment, the Damage indicator means have a plurality of electrically conductive elements spaced from one another in the direction of thickness by electrically non-conductive insulation elements, the amount of damage to the protective plate being able to be determined as a function of the penetration depth of the penetration element arranged on the battery. As a result, the amount of damage to the protective plate can be determined and a response can be sent out as a function of the amount of damage.
Vorzugsweis erstreckt sich das Schadensindikatormittel flächig über die gesamte Schutzplatte. Dadurch kann in allen Bereichen der Schutzplatte eine Verformung der Schutzplatte erkannt werden. Das Schadenindikatormittel kann beispielsweise eine Sensorfolie sein.The damage indicator means preferably extends flat over the entire protective plate. As a result, a deformation of the protective plate can be detected in all areas of the protective plate. The damage indicator means can be a sensor film, for example.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schadensdetektionsvorrichtung eine Auswerteinheit auf, welche mit dem Schadensindikatormittel wirkverbunden ist. Die Auswerteinheit dient der Auswertung der Signale des Schadensindikatormittels, wobei die Auswerteinheit beispielsweise ein Warnsignal an den Fahrer generiert oder vordefinierte Sicherheitsmaßnahmen des Elektrofahrzeugs einleitet.In a preferred embodiment, the damage detection device has an evaluation unit which is operatively connected to the damage indicator means. The evaluation unit is used to evaluate the signals of the damage indicator means, the evaluation unit generating, for example, a warning signal to the driver or initiating predefined safety measures for the electric vehicle.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Elektrofahrzeug mit einer Batterie-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gelöst. Vorzugsweise ist die Schutzplatte zwischen einer Fahrbahn zugwandten Seite der Batterie und der Fahrbahn angeordnet. Zu den Vorteilen der Erfindung wird auf die vorhergehenden Absätze verwiesen.The object is also achieved by an electric vehicle with a battery arrangement according to one of Claims 1 to 12. The protective plate is preferably arranged between a side of the battery facing the road and the road. Regarding the advantages of the invention, reference is made to the preceding paragraphs.
Durch eine derartige Ausgestaltung der Batterie-Anordnung kann eine Beschädigung der Batterie zuverlässig und frühzeitig detektiert werden, wobei die Schadensdetektion mit einem geringen Herstellungs- und Montageaufwand realisiert werden kann.With such a configuration of the battery arrangement, damage to the battery can be detected reliably and at an early stage, with the damage detection being able to be implemented with little manufacturing and assembly outlay.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt ein schematisch dargestelltes Elektrofahrzeug, -
2a zeigt eine erste Ausführung einer Batterie-Anordnung, -
2b zeigt eine zweite Ausführung einer Batterie-Anordnung, -
2c zeigt eine dritte Ausführung einer Batterie-Anordnung, -
2d zeigt eine vierte Ausführung einer Batterie-Anordnung, und -
3 zeigt einen Ausschnitt einer Schutzplatte.
-
1 shows a schematically represented electric vehicle, -
2a shows a first embodiment of a battery arrangement, -
2 B shows a second embodiment of a battery arrangement, -
2c shows a third embodiment of a battery arrangement, -
2d shows a fourth embodiment of a battery arrangement, and -
3 shows a section of a protective plate.
Die Batterie
Die Schutzplatte
Trotz der Schutzplatte
Bei einer Beschädigung der Batteriezellen
Die Erfassung einer möglichen Beschädigung der Batterie
Erfindungsgemäß ist das Schadensindikatormittel
Die
In
In
In
In
Durch die Detektion der Verformung der Schutzplatte
Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen. Beispielsweise könnte die Batterie
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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