CN112186283A - 电池以及电驱动的机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池(4)，所述电池(4)具有电池壳体(6)以及容纳在所述电池壳体(6)中的光传感器(30)，其中，所述光传感器(30)如此定位，使得电气的或者电子的电池部件(41)布置在所述光传感器(30)的检测区域(32)中。此外，本发明涉及一种用于识别这样的电池(4)的电池壳体(6)之内的光的方法以及一种具有这样的电池(4)的电驱动的机动车(2)。

Description

电池以及电驱动的机动车

技术领域

本发明涉及一种电池、尤其是用于电驱动的机动车的牵引电池。此外，本发明涉及一种这样的电驱动的机动车。

背景技术

电驱动的机动车通常具有电池(牵引电池)，该电池给电动机供能以驱动机动车。在此，电驱动的机动车应尤其理解为只在电池中存储驱动所需的能量的电动车(BEV，电池电动汽车)、具有增程装置的电动车(REEV，增程式的电动汽车)、混合动力车(HEV，混合动力电动汽车)、插电式混合动力车(PHEV，插电式混合动力电动汽车)和/或在电池中暂存借助燃料电池产生的电能的燃料电池车(FCEV，燃料电池电动汽车)。

这样的电池尤其具有电池壳体，在该电池壳体中容纳多个电气的或者电子的电池部件。电气的或者电子的电池部件例如是电池单体(Batteriezelle)、传感器、传感器线路、电路板或者控制装置。

这样的(牵引)电池优选具有相对较高的能量密度，从而为机动车的用户实现了相应较高的行程范围或者说续驶里程。然而在电池或者电池单体的这种高能量密度中，例如由于内部的短路或者电池单体的过量充电可能产生自增强的连锁反应，其被称作热失控(英语：thermal runaway)。在热失控时一方面释放相应较高的热能，另一方面在此在能量存储单元中额外地、尤其由于电解质的分解产生气体，由此在电池单体中产生高内压。

因此电池单体可能变形、燃烧或者甚至爆炸。

其它的对于电池中的燃烧、即在其电池壳体内的燃烧的起因尤其是例如由于电池部件的错误绝缘或者通过短路产生的电火花或者电弧。

已知设置用于电池部件的电压传感器或电流传感器，根据所述电压传感器或电流传感器检测电池部件的功能故障。此外，将例如温度传感器放入电池壳体中，以便尽快检测到热失控。

不利的是，电池壳体中的燃烧不能借助这样的电压传感器或电流传感器被可靠地识别，并且借助温度传感器在燃烧起因形成相对较长的持续时间之后才能够被识别。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电池，在该电池中尽快地识别出燃烧和/或燃烧风险。此外应提供一种用于识别这样的电池的电池壳体内的光的方法以及一种具有这样的电池的电驱动的机动车。

关于电池，所述技术问题根据本发明通过以下技术特征来解决：根据本发明的电池具有电池壳体以及容纳在所述电池壳体中的光传感器，其中，所述光传感器如此定位，使得电气的或者电子的电池部件布置在所述光传感器的检测区域中。关于方法，所述技术问题根据本发明通过以下技术特征来解决：在用于识别根据本发明构造的电池的电池壳体内的光的方法中，光由光传感器检测并且由所述光传感器输出相应的传感器信号，并且在所述方法中，关于所述电池壳体中的光的起因和/或源头分析传感器信号。关于机动车，所述技术问题通过一种具有根据本发明构造的电池的电驱动的机动车解决。在此，结合电池的实施方式也有意义地适用于方法以及适用于机动车，并且反之亦然。

电池具有电池壳体。该电池壳体有利地是光密封的，即不透光的，因此没有光从(壳体外部)外部进入到借助电池壳体形成的壳体内部空间中。此外，电池具有容纳在电池壳体中、即壳体内部空间中的光传感器。光传感器在此如此定位，使得容纳在电池壳体中的电气的或者电子的电池部件得以布置在光传感器的检测区域(监测区域)中。

换句话说，电池部件至少部分地布置在这样的空间区域中，光能够从该空间区域照射到光传感器的光敏面上。也就是光传感器布置在电池部件的区域中，从而在必要时由光传感器检测由电池部件发射的光。概括地说，电池部件由光传感器监测。

电池尤其构造为锂离子电池。此外，电池尤其是电驱动的机动车的牵引电池。即，电池提供用于驱动机动车的电能。

电气的或者电子的电池部件例如是电池单体、电路板、控制装置、传感器尤其是电流传感器或电压传感器、或者传感器线路。

对于电池部件例如设置有其它的光传感器，其中，光传感器监测电池部件的不同区段或者区域，和/或，其中，光传感器从不同的角度监测电池部件。布置在电池壳体中的其它的电池部件优选以类似的方式同样根据光传感器或者根据多个光传感器进行监测。

光传感器在此用于检测在电池壳体中产生的光，在电池部件故障时或者在电池部件错误运行时发射所述光。

在常规运行中没有光进入到电池壳体中的所述电池壳体中，只在功能故障的情况下产生光，例如在电气的或者电子的电池部件短路时或者在构造为电池单体的电池部件热失控时。这样的光尤其通过火花、电弧或者燃烧(火)引起。若光传感器检测到光，则例如识别出燃烧或者至少燃烧风险。在识别出这样的燃烧风险或者燃烧时例如采取措施，所述措施用于机动车的用户的安全和/或借助所述措施避免或者至少减缓机动车的损坏。例如向用户输出光学的和/或声学的警示信号。此外，将电池例如与机动车的高压网、尤其与电动机(电地)断开。

在此，这种光可能在温度升高之前的相对较长的持续时间发射出，因此光传感器比温度传感器更快地识别出燃烧风险。概括地说，借助光传感器有利地实现了对燃烧或者燃烧风险的可靠并且相对较快的识别。

根据有利的设计方案，光传感器构造为光电二极管(Fotodiode)或者光电元件(Fotozelle，或者说光电管)。光传感器备选地具有光电二极管或者光电元件。光传感器具有例如多个光电二极管或者光电元件。用具有光电二极管或者光电元件或者构造为光电二极管或者光电元件的光传感器也能够有利地检测具有相对较低的光强度的光，例如火花中的光。光强度在以下也简称为强度。

尤其构造为锂离子电池的电池以合适的方式具有多个电池单体，所述多个电池单体彼此串联和/或并联地相互连接。在此，部分数量的电池单体分别组合成(电池)单体模块。在此，相应的单体模块的电池单体容纳在装入电池壳体中的单体模块壳体中。由此在有利的设计方案中，光传感器在单体模块壳体中布置在需要由所述光传感器监测的电池单体的区域中。以此方式还监测布置在单体模块壳体中的电池单体。在此，例如多个电池单体布置在光传感器的检测区域中，从而实现了对单体模块的高效监测。

在有利的设计方案中，光传感器配置有光源，该光源有利地构造为LED(发光二极管)或者激光。光源在此在电池壳体中如此布置和定向，使得由该光源发射的光只由于在烟微粒或者说烟颗粒上的散射而得以由光传感器检测。烟微粒在此尤其由于燃烧、短路或者通过电弧产生。在此，由光源发射的光有利地不直接指向光传感器的光敏面。光敏面例如相对于光源的光的传播方向(没有在烟微粒上散射)旋转并且与相应的光束相间隔地布置。

光传感器和光源按照烟雾探测器的方式共同作用。因此不只能够根据由电池部件在故障情况下发射的光、也能够根据由光源发射的并且在烟微粒上散射的光识别出燃烧或者燃烧风险。

由此冗余地识别燃烧或者燃烧风险，因此提高了对于机动车的用户的安全性。

若需要由光传感器监测的电池部件是电路板，则根据有利的扩展方案在此电路板上布置光传感器并且尤其将光传感器与此电路板连接。因此有利地减少了结构空间和必要时的连接耗费。

根据一种用于识别根据上述变型方案之一构造的电池的电池壳体之内的光的方法，光由光传感器检测并且由光传感器输出相应的传感器信号。有利地实现将传感器信号输出到分析单元或者输出到控制单元、例如所谓的电池管理系统。

传感器信号例如设计为电流或者电压或者电压变化或者包括电流或者电压或者电压变化。

在此，功能故障造成从电池部件发出光，由于所述功能故障产生(光)火花、电弧和/或燃烧(火)。备选地或者额外地，光是由光源发射并且在烟微粒上散射的光。

随后，关于起因、即光的原因、尤其是火花、电弧或者火，并且额外地或者备选地关于源头、即由哪个电池部件发射了光来分析传感器信号。然后根据分析确定燃烧风险或者燃烧。尤其在检测到光时推断出燃烧风险，其中，风险的大小与所确定的起因和/或源头有关。

在识别出这样的燃烧风险或者燃烧时例如采取上述的措施，所述措施用于机动车用户的安全性和/或借助所述措施避免或者至少减缓机动车的损坏。尤其向机动车的用户输出警示信号并且例如将电池与机动车的高压网、尤其与电动机(电)断开。

根据有利的设计方案，为了分析传感器信号参考或者说使用传感器信号的在时间上或者说随时间的变化(走向)。根据传感器信号随时间的变化，确定由光传感器检测的光的光强度的随时间的变化。尤其根据传感器信号的随时间的变化或者根据由此确定的光强度的随时间的变化确定光强度的或者传感器信号的最大值以及确定对光进行检测期间的持续时间。概括地说，根据随时间的变化确定光的起因。此外，例如识别典型的随时间的变化走向并且配置给光的起因。例如，火花具有相对较短的持续时间和峰状的变化走向，火具有在时间上持续相对较长的并且在此过程中相对较高的光强度。因此，借助最大值、持续时间和/或典型的变化走向能够区分并且因此能够确定光的起因。随后与所确定的起因相应地采取例如不同的措施。例如减少机动车的电动机的功率或者将电动机与电池电地断开或者只向机动车的用户输出警示。

根据所述方法的一种有利的设计方案，为了分析传感器信号，作为对传感器信号的随时间变化的补充或者备选，使用光的光谱组成。为了确定或者至少为了推测光谱组成，使用例如具有多个光电二极管的光传感器，所述光电二极管分别配设有不同的滤色器。随后根据由相应的配设有滤色器的光电二极管检测的光的光强度来确定光谱组成。

多个光电二极管备选地具有彼此不同的光谱敏感性。光电二极管为此尤其借助不同的材料形成或者光电二极管的敏感面具有彼此不同的厚度。随后根据由电池部件发出的并且由光电二极管检测的光的测量出的不同光强度，确定光谱组成。

借助所测定的、即所确定的或者至少推测的光谱组成能够区分光的起因、如火花或者电弧或者火，和/或区分光的源头、例如电池单体或者传感器缆线。同样可行的是，将其它光源的光、尤其是通过电池壳体的不密封的位置进入壳体内部空间的光与由于火花或者由于电弧造成的燃烧或者燃烧风险区分开。

根据一种有利的设计方案，为了分析传感器信号，使用光传感器的位置，即光传感器的安装位置和/或光传感器相对于电池部件的配置关系或者说对应关系。

以这样的方式能够将燃烧与源头相对应。若燃烧的源头例如是电池单体，则在燃烧时可能由于热失控形成气体和/或产生爆炸风险，如上文所述。可以相应地警示车辆的用户和/或采用相应的措施，例如将电池与高压网断开或者激活用于电池燃烧的灭火系统。

作为对此的补充或者备选，为了分析传感器信号能够使用其它传感器、例如电流传感器或电压传感器的数据。这例如用于检验由光传感器输出的传感器信号关于起因和/或燃烧风险的可信性。

根据一种有利的设计方案，电驱动的机动车具有电池，该电池根据上述的变型方案之一构造。即，电池尤其具有光传感器，该光传感器容纳在其电池壳体中，其中，光传感器如此定位，使得电气的或者电子的电池部件得以布置在光传感器的检测范围内。电池优选是机动车的牵引电池，所述牵引电池用于驱动机动车。(牵引)电池为此给电动机供应电能。

附图说明

以下参照附图详细说明本发明的实施例。在附图中：

图1示出具有电池的电驱动的机动车，在电池的电池壳体中容纳有光传感器，其中，光传感器布置在构造为单体模块的电路板的、电气的或者电子的电池部件上，并且其中，关于光的发射由光传感器监测电路板；

图2示出机动车的电池的横截面，其中，在电池壳体中装入多个单体模块，所述单体模块具有容纳在其中的电池单体，其中，具有多个光电二极管的光传感器分别定位在单体模块的单体模块壳体中；并且

图3在流程图中示出用于识别电池壳体内的光的方法流程，在该方法流程中由光传感器检测光，并且在该方法流程中关于光的起因和来源分析相应的传感器信号。

彼此相应的部件和尺寸在所有附图中总设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出电驱动的机动车2，该电驱动的机动车2具有带有电池壳体6的(牵引)电池4。在电池壳体6中在此放入多个单体模块8，出于更好的直观性只示出其中的两个。由此例如两个单体模块8沿车辆横向(Y方向)和多个单体模块8沿车辆纵轴(X方向)并排地布置在电池壳体6中。车辆纵向(X方向)和车辆横向(Y方向)在标注在旁的方向图中以X或者Y表示。

在单体模块8的单体模块壳体10中又分别容纳有多个电池单体12，参照图2，图2只针对每个单体模块示出了三个电池单体12。单体模块8和电池单体12在此借助其端子14串联和/或并联地彼此连接，这在图1和图2中示意性地示出。彼此连接的单体模块8又与电池4的电池接头16电连接。在电池接头16上连接有用电器18、尤其是用于驱动机动车2的电动机。概括地说，电池4给用电器18供应电能。在此，在单体模块8和电池接头16之间的电流路径20中分别连接有尤其构造为半导体开关的开关22，借助该开关22能够将单体模块8与电池接头16电地断开，或者能够调节由电池4在电池接头16上提供的电流。两个开关22在此在开关22的控制输入端处与控制单元23相连接。

在单体模块壳体10上，关于车辆高度方向Z在单体模块壳体10的模块壳体盖24之上分别布置有电路板26。即，电路板26在单体模块壳体10之外和电池壳体6之内布置在电池壳体盖28和模块壳体盖24之间。在此，光传感器30a布置在每个电路板26上并且与电路板连接。光传感器30a如此定位，使得相应的电路板26布置在定位于该电路板26上的光传感器30的检测区域32中。检测区域在此以点划线示出并且配设有附图标记32。

此外，每个光传感器30a分别配置有构造为LED或者激光的光源34，该光源34布置在相应的电路板26的区域中。在此，光源34如此定位和定向，使得由光源34发出的光在电池4的常规运行中不照射到光传感器30a上。这借助光束36来表示。若由于电路板26或者电池单体12之一的功能故障产生烟并且流入光束36的区域中，则由光源34发射的光被散射并且照射到光传感器30a上，如根据虚线表示的光束36′所示的那样。

图2示出电驱动的机动车2的电池4，其中，剖切平面垂直于车辆纵向X延伸并且延伸穿过布置在电路板26上的光传感器30a。

单体模块8的电池单体12彼此连接，其中，在电池单体的端子14之间延伸的电流路径中连接有电流传感器或电压传感器38。电流传感器或电压传感器38在此借助传感器线路40与配属于单体模块8的电路板26相连接。在此，在单体模块壳体10中布置有光传感器30b，该光传感器30b如此定位，使得不只电流传感器或电压传感器38而且传感器线路40均布置在其检测区域32中。

在单体模块壳体10中还容纳具有三个光电二极管42的光传感器30c。每个光电二极管42配设有滤色器44，其中，电池单体之一布置在所述三个光电二极管42的检测区域32中，并且其中，滤色器44选择(透过)不同波长的光。在此，出于更好的可识别性只示出了检测区域32中的两个。换句话说，这个电池单体12由具有三个光电二极管42的光传感器30c关于光的发射进行监测，其中，光传感器30c布置在这个电池单体12的区域中。

光传感器30a、30b和30c借助相应的电路板26与控制单元23相连接，因此由光传感器30a、30b或30c发射的传感器信号S能够由控制单元23进行分析。根据分析的结果，由控制单元23将开关22切换为阻挡电流、传导电流或者切换到中间位置。另外，控制单元23与未详细示出的光学显示器和未详细示出的扬声器相连接，借助其能够向机动车2的用户输出光学的或者声学的警示信号。

光传感器30a和30b在此分别构造为光电二极管。光传感器30c具有三个光电二极管，每个光电二极管配设有滤色器。根据未详细示出的备选方案，光传感器30a和30b分别借助光电元件构成并且光传感器30c具有三个分别配设有滤色器的光电元件。

电池单体12、电流传感器或电压传感器38、传感器线路40以及电路板26是电气的或者电子的电池部件，它们概括地配设有附图标记41。电池部件41容纳在电池壳体6中，其中，这些电池部件41布置在分别配属的光传感器30的检测区域32中。

以下将光传感器30a、30b和30c概括地称为光传感器30。

在图3中所示的流程图表示用于识别电池4的电池壳体6中的光的方法，该电池4根据图1或者图2构造。

在此，在第一步骤I中由电气的或者电子的电池部件41发射光。所述光在此由于电池部件41的功能故障而产生，其中，产生火花、电弧或者燃烧(火)。

备选地或者额外地，由光源34发射的光在由于所述功能故障产生的烟雾处被散射，使得散射的光照射到光传感器30上。

在第二步骤II中由光传感器30检测(探测)所述光。随后由光传感器30向控制单元23输出传感器信号S。

在随后的步骤III中，由控制单元23关于起因和关于光的来源对传感器信号S进行分析。起因应在此理解为对于光的产生的原因，尤其是火花、电弧或者火，并且来源应理解为发射了光的电池部件41。

为此，使用传感器信号S的随时间的变化，根据该传感器信号S的随时间的变化确定由光传感器30检测的光的光强度的随时间的变化。根据其确定光强度或者传感器信号S的最大值以及检测到所述光的持续时间。对于光的起因能够根据最大值以及根据持续时间来识别。由此，例如根据相对较短的持续时间和相对较小的最大值将(光)火花与燃烧区分开，所述燃烧包括时间更长的持续时间和更大的最大值。尤其为了将光与起因相对应，在控制单元23的存储器上存储有针对最大值和持续时间的相应阈值。

此外，作为对此的补充，或者根据未详细示出的作为对此的备选的备选方案，为了分析传感器信号S使用光的光谱组成。光谱组成在此根据具有多个光电二极管或者光电元件的光传感器30c确定，每个光电二极管或者每个光电元件配设有滤色器。在此，由相应的光电二极管或者光电元件检测的光强度能够与相应于滤色器44的波长或者相应波长范围对应地配属或者说相对应。

在电池4的未示出的备选方案中，光传感器30c具有多个光电二极管42，所述多个光电二极管具有彼此不同的光谱敏感性，因此根据光的所检测的不同光强度能够推测光的光谱组成。

此外，作为对此的补充，或者根据未详细示出的作为对此的备选的备选方案，为了分析传感器信号S使用光传感器30的位置和光传感器30相对于由其监测的电池部件41的配属关系。以这样的方式能够将来源、例如电池单体12之一或者传感器线路40与光相对应。

作为对此的补充或者备选，为了分析传感器信号S，能够使用其它的传感器的数据，例如电流传感器或电压传感器38的数据。例如，这些数据用于检验由光传感器30输出的传感器信号S关于燃烧风险和起因的可信性。

若检测到光，则认识到燃烧或者至少燃烧风险，换句话说识别出燃烧或者燃烧风险。随后在步骤IV中实施用于机动车2的用户的安全和/或为了避免机动车2的损坏的措施M。根据光谱组成、根据传感器信号S的随时间的变化和光传感器30相对于电池部件41的配属关系确定起因和来源，随即相应于所确定的起因和所确定的来源采取相应的措施M。若例如识别出电池单体12之一的燃烧，则要求用户离开机动车2并且借助开关22将电池单体12与电池接头16电地断开。若例如识别出传感器线路40上的火花，则向用户输出警示并且关闭相应的电流传感器或电压传感器38。此外，例如在识别出由单体模块8之一的电路板26发射的光时，减少机动车2的电动机的功率。

在识别出燃烧或者燃烧风险时的其它措施M是，经由机动车2的通信工具、例如机动车2中存在的电话或者其它的遥测设备来寻求帮助。例如能够通知消防队或者其它的救援机构。备选地或者额外地能够如此通知生产商燃烧风险或者燃烧。寻求帮助优选是自动进行的。尤其在交通工具的自主运行中和/或用户不在机动车中时，例如在停放的机动车2中，由于寻求或者通知帮助减少了对于其它的交通参与者的风险和/或机动车损坏的风险。

本发明不限于前述的实施例。而是本领域技术人员由此还可以推导出本发明的其它变型方案，而不脱离本发明的技术方案。此外，尤其是所有与实施例相结合地描述的单独技术特征也能够以其它方式相互组合，而不脱离本发明的技术方案。

附图标记列表

2 机动车

4 电池

6 电池壳体

8 单体模块

10 单体模块壳体

12 电池单体

14 电池单体的端子

16 电池接头

18 用电器

20 电流路径

22 开关

23 控制单元

24 单体模块壳体的盖

26 电路板

28 电池壳体盖

30、30a、30b、30c 光传感器

32 检测区域

34 光源

36 光束

36′ 散射的光束

38 电流传感器或电压传感器

40 传感器线路

41 电池部件

42 光电二极管

44 滤色器

S 传感器信号

M 措施

X 车辆纵向

Y 车辆横向

Z 车辆高度方向

I 发射光

II 检测光并且输出传感器信号

III 分析传感器信号

IV 采取措施

Claims (10)

1.一种电池(4)，所述电池(4)具有电池壳体(6)以及容纳在所述电池壳体(6)中的光传感器(30)，其中，所述光传感器(30)如此定位，使得电气的或者电子的电池部件(41)布置在所述光传感器(30)的检测区域(32)中。

2.根据权利要求1所述的电池(4)，其特征在于，

所述光传感器(30)构造为光电二极管或光电元件或者具有光电二极管或光电池。

3.根据权利要求1或2所述的电池(4)，其特征在于，

所述光传感器(30)布置在单体模块壳体(10)中的电池单体(12)的区域内。

4.根据权利要求1至3之一所述的电池(4)，其特征在于，

所述光传感器(30)配置有光源(34)，所述光源(34)如此布置，使得由所述光源(34)发射的光只由于在烟微粒上的散射而被所述光传感器(30)检测到。

5.根据权利要求1至4之一所述的电池(4)，其特征在于，

需要由所述光传感器(30)监测的电池部件(41)是电路板，其中，所述光传感器(30)布置在所述电路板上。

6.一种用于识别根据权利要求1至5之一所述地构造的电池(4)的电池壳体(6)之内的光的方法，

-在所述方法中，光由光传感器(30)检测并且由所述光传感器(30)输出相应的传感器信号(S)，并且

-在所述方法中，关于所述电池壳体(6)中的光的起因和/或源头分析所述传感器信号(S)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

为了分析所述传感器信号(S)，使用所述传感器信号(S)的随时间的变化。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，

为了分析所述传感器信号(S)，使用光的光谱组成。

9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，

为了分析所述传感器信号，使用所述光传感器(30)的位置和/或所述光传感器(30)相对于电池部件(41)的配置关系。

10.一种电驱动的机动车(2)，具有根据权利要求1至5之一所述地构造的电池(4)。

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