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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Undichtheiten in elektrochemischen Systemen.
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Beispielsweise aus der
DE 43 16 436 C2 ist es bekannt, flächige Sensoren zur Ortung von Leckagen aufzubauen. Hierbei liegen verschiedene über Kreuz angeordnete diskrete Leiter durch ein saugfähiges Vlies oder dergleichen als Zwischenschicht voneinander getrennt übereinander und sind dann flächig zu einer Verbundfolie angeordnet. Sobald die im trockenen Zustand elektrisch isolierende Zwischenschicht mit Flüssigkeit in Berührung kommt, ändert sich ihre elektrische Leitfähigkeit und zwischen den Leitern kann ein Strom fließen. Damit lässt sich das Eindringen von Flüssigkeit in den Bereich der Zwischenschicht detektieren.
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Ferner sind aus dem allgemeinen Stand der Technik elektrische Energiespeichereinrichtungen beziehungsweise elektrochemische Systeme bekannt. Solche Systeme, wenn sie insbesondere als Traktionsenergiespeicher oder Traktionsenergiequelle in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, können beispielsweise als Hochleistungsbatterien oder Brennstoffzellen ausgebildet sein. Derartige Systeme weisen dann typischerweise hohe Spannungen auf, beispielsweise Spannungen von mehreren 100 Volt. Kommt es nun zu Leckagen eines flüssigen Kühlmediums, typischerweise eines Wasserglykolgemischs in solchen Batterie- oder Brennstoffzellensystemen oder gar zu einem Austritt von Elektrolyt, so führt dies früher oder später zu einem Ausfall des Systems. Problematisch können auch Ansammlungen von Schwitzwasser im Inneren von Gehäusen derartiger elektrochemischer Systeme werden. Insbesondere innerhalb solcher geschlossener Gehäuse stellen Ansammlungen von Flüssigkeit, beispielsweise durch Leckagen und/oder Schwitzwasser, aufgrund der hohen Spannung in dem System, eine ernste Gefahrenquelle dar. Außerdem kann es durch unbeabsichtigte Entladungen in dem System zu einer Elektrolyse von Wasser in diesen Bereichen kommen. Dies führt dann zur Bildung von Knallgas, welches sich als hochexplosives Gemisch in dem system sammeln kann.
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Eine weitere Problematik kann auch in einer durch die Flüssigkeit hervorgerufenen starken Korrosion des Gehäuses und/oder der elektrochemischen Bauteile liegen. So können beispielsweise metallische Gehäuse der einzelnen elektrochemischen Speicherzellen, zum Beispiel bei Nickelmetallhydrid oder Lithium-Ionen-Zellen, durch Korrosion undicht werden. Dann kommt es zu einem Austritt von Elektrolyt, gegebenenfalls auch zu einem Kurschluss der jeweiligen Zelle mit gegebenenfalls gravierenden Gefährdungen und Schäden an der Batterie.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Detektion von Undichtheiten in der oben genannten Art so weiterzubilden, dass diese ideal in einem elektrochemischen System eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Dadurch, dass die elektrischen Leiter flächig ausgebildet sind und lediglich durch die zwischen ihnen angeordnete im trockenen Zustand elektrisch isolierende Zwischenschicht voneinander beabstandet sind, ist der Aufbau besonders leicht, platzsparend und über den gesamten Bodenbereich eines Gehäuses des elektrochemischen Systems erstreckbar. Dabei ist zumindest der in Richtung der elektrochemisch aktiven Bauteile angeordnete elektrische Leiter trotz seiner flächigen Ausbildung zumindest punktuell für Flüssigkeit durchlässig ist, was in besonders vorteilhafter und kostengünstiger Weise durch eine Perforation, eingestanzte Löcher oder die Ausbildung als feines Drahtgewebe realisiert werden kann. Sobald dann Flüssigkeit in den Bereich der Zwischenschicht gelangt, wird diese in ihrem elektrischen Widerstand entsprechend abfallen, was über eine einfache Auswerteelektronik detektiert werden kann. Somit kann mit einfachsten Mitteln vollflächig bereits eine sehr geringe Ansammlung an Flüssigkeit, beispielsweise durch eine Leckage oder durch Schwitzwasser, detektiert werden. Somit können frühzeitig Maßnahmen ergriffen werden, um den oben genannten Problemen vorzubeugen.
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In besonders günstiger Art und Weise besteht die Vorrichtung zur Detektion von Undichtheiten dabei aus einer Matte mit dreilagigem Aufbau. Die obere und untere Lage können aus einem kostengünstigen perforierten oder gestanzten, auf jeden Fall jedoch für Feuchtigkeit beziehungsweise Flüssigkeit durchlässigen Material, beispielsweise einer Metallfolie oder einem feinen Drahtgewebe, ausgebildet sein. Sie stellen somit zwei Elektroden dar. Zwischen diesen befindet sich die Zwischenschicht, beispielsweise ein saugfähiges dünnes und im trockenen Zustand elektrisch isolierendes Vlies. Auch hier können verschiedene kostengünstige Gewebe, Faser- oder Presswerkstoffe, beispielsweise Filz, Glasfasern oder dergleichen Verwendung finden. Wird nun die im trockenen Zustand isolierende Zwischenschicht benetzt beziehungsweise saugt sich mit Kühlmedium oder Elektrolyt auf, so ändert sich deutlich messbar der elektrische Widerstand zwischen den beiden äußeren Lagen, also den flächig ausgebildeten Leitern beziehungsweise Elektroden. Dies kann mittels einer einfachen Elektronik sicher und zuverlässig ausgewertet werden.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass als einer der elektrischen Leiter das Gehäuse des elektrochemischen Systems genutzt ist. In dieser besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung wird der Aufbau hinsichtlich der benötigten Bauteile nochmals vereinfacht. Eine gegenüber dem Gehäuse durch die im trockenen Zustand elektrisch isolierende Zwischenschicht isolierte flächige und beispielsweise perforierte oder netzartig ausgebildete Elektrode erlaubt eine Messung gegenüber einem elektrisch leitenden beispielsweise metallischen Gehäuse. Wird dies im unteren Bereich des Gehäuses in seiner typischen Einbaurichtung angeordnet, so können sämtliche Leckagen sowie sich eventuell in dem Gehäuse ansammelndes Schwitzwasser detektiert werden, da diese aufgrund der Schwerkraft typischerweise nach unten laufen und die Zwischenschicht entsprechend benetzen werden. Bei der Detektion von Schwitzwasser ist es dabei so, dass entweder Salze oder dergleichen im Bereich des Vlieses angeordnet werden müssen, da Schwitzwasser typischerweise reines Wasser ist und damit elektrisch nicht leitet. Oder es muss darauf vertraut werden, dass das Schwitzwasser durch den Kontakt beispielsweise mit dem metallischen Gehäuse so viele Ionen aus diesem herausgelöst hat, dass eine elektrische Leitfähigkeit vorliegt. Beides ist jedoch in der Realität gegeben oder leicht umzusetzen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Zwischenschicht als saugfähiges Vlies ausgebildet. Diese Ausbildung der Zwischenschicht als saugfähiges Vlies ermöglicht bereits bei geringen Mengen an Flüssigkeit, welche durch die obere Elektrode an das Vlies gelangen, dass das Vlies diese Flüssigkeit aufsaugt und somit ausreichend feucht wird, um einen Abfall des elektrischen Widerstands detektierbar zu machen. Außerdem hat die Verwendung eines saugfähigen Vlieses den Vorteil, dass bei größeren Mengen an Flüssigkeit das Vlies diese Flüssigkeit weitgehend aufsaugt. Damit kann die Flüssigkeit nicht im Bereich des Gehäuses umherschwappen und gegebenenfalls spannungsführende Teile benetzen und so zu Kurschlüssen oder dergleichen führen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass der Aufbau der Vorrichtung nicht als eine Fläche ausgebildet ist, sondern in mehrere Flächenteile aufgegliedert ist. Damit lässt sich, insbesondere bei einer größeren Ausgestaltung des elektrochemischen Systems, nicht nur feststellen, dass eine Leckage aufgetreten ist, sondern auch, zumindest in etwa, in welchem Bereich es zu der Leckage gekommen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird also in der Art einer Matrix ausgebildet, die mehrere flächige Elektrodenpaare aufweist. Neben der Abschätzung des Orts der Leckage lässt sich so auch eine Abschätzung der ausgetretenen Flüssigkeitsmenge realisieren, da unterschieden werden kann, ob nur Einzelne der Teilflächen „feucht” melden oder mehrere. Aufgrund der Anzahl der Flächen kann dann abgeschätzt werden, wie viel Flüssigkeit ausgetreten ist.
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Eine besonders günstige und vorteilhafte Verwendung einer derartigen Vorrichtung zur Überwachung von Undichtheiten in einem elektrochemischen System liegt in ihrem Einsatz in einer Batterie zum Speichern von Antriebsenergie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug. Insbesondere bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen stellen die Batterien eine erhebliche Investition dar, da sie für einen Großteil der Kosten des Antriebsstrangs verantwortlich sind. Eine entsprechende Überwachung zur Vermeidung eventueller Ausfälle und eines vorzeitigen Defekts einer solchen Batterie sind daher besonders wichtig. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet hier die Möglichkeit mit minimalem Aufwand eventuelle Leckagen frühzeitig zu entdecken, um so sehr schnell Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug hat dies außerdem den Vorteil, dass durch eine frühzeitige Detektion die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs an sich erhöht wird. Weiß man rechtzeitig Bescheid, dass sicherheitsrelevante Systeme mit höheren Spannungen von der Problematik betroffen sind, so kann frühzeitig eine Warnung ausgegeben werden und es können entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Dies vermeidet Defekte und Ausfälle während der Fahrt, die sogenannten „Liegenbleiber”. Damit lässt sich eine Steigerung der Zufriedenheit der Nutzer des zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs erreichen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform; und
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2 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform.
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In der 1 ist die Vorrichtung 1 in einer dreidimensionalen Prinzipskizze zu erkennen. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Matte mit einem dreilagigen Aufbau. Die obere Lage 2 ist als erste Elektrode 2 ausgebildet. Sie besteht aus einem feinen Drahtgewebe oder einer dünnen Metallfolie, welche ausgestanzte Öffnungen aufweist oder perforiert ausgebildet ist. Unterhalb dieser ersten Elektrode 2 ist eine Zwischenschicht 3 angeordnet. Diese besteht aus einem saugfähigen dünnen und im trockenen Zustand elektrisch isolierenden Vlies. Dieses ist so ausgebildet, dass es im feuchten Zustand elektrisch leitet oder aufgrund der elektrisch leitenden Flüssigkeit, welche es aufgesogen hat, elektrisch leitend wirkt. Das Vlies selbst kann dabei als kostengünstiges Gewebe, Gelege oder dergleichen ausgebildet sein. Auch Faser- oder Pressstoffe wie Filz, Glasfasern oder Ähnliches sind denkbar. Unterhalb dieser Zwischenschicht 3 ist eine weitere Elektrode 4 angeordnet. Bei der Herstellung der Vorrichtung 1 als eigenständiges Bauteil kann diese Elektrode 4 insbesondere genau so aufgebaut sein, wie die Elektrode 2. Damit ist das Bauteil richtungsunabhängig einzusetzen und kann Feuchtigkeit sowohl von unterhalb als auch von oberhalb der Vorrichtung 1 in den Bereich der Zwischenschicht 3 leiten.
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Beim Einsatz in einem Gehäuse eines hier nicht dargestellten elektrochemischen Systems könnte die zweite Elektrode 4 auch als Teil des Gehäuses ausgebildet sein. Alleine schon um elektromagnetische Wellen abzuschirmen, sind die Gehäuse von derartigen elektrochemischen Systemen typischerweise aus einem leitenden Werkstoff ausgebildet. In diesem Fall kann die zweite Elektrode 4 durch einen Teil des Gehäuses, insbesondere den Gehäuseboden gebildet werden.
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Unabhängig von der Ausbildung der zweiten Elektrode ist die Funktionalität der Vorrichtung 1 nun die, dass durch Leckagen entstehende Feuchtigkeit, welche hier durch einen Tropfen 5 symbolisch angedeutet ist, durch die Perforation oder die Maschen der ersten Elektrode 2 oder gegebenenfalls auch der zweiten Elektrode 4 hindurch in den Bereich der Zwischenschicht 3 gelangt. Dort wird aufgrund der Flüssigkeit, welche beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Elektrolyt des elektrochemischen Systems ist, eine gewisse Leitfähigkeit zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 4 erreicht. Falls die Flüssigkeit selbst nicht leitfähig ist, kann der Leitfähigkeit nachgeholfen werden, indem beispielsweise im Bereich des Vlieses trockene Salze vorhanden sind, welche bei Benetzung beispielsweise mit Schwitzwasser oder dergleichen eine Salzlösung bilden, welche dann elektrisch leitend ist und in dem dann feuchten Bereich der Zwischenschicht 3 einen Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 4 zulässt. Ein solcher Stromfluss kann dann über eine sehr einfache Auswerteelektronik 6 detektiert werden. Die Auswerteelektronik 6 gibt dann ein entsprechendes Signal, das eine Leckage entdeckt worden ist, beispielsweise an die Steuerungselektronik oder ein Managementsystem des elektrochemischen Systems und/oder eines beispielsweise mit dem elektrochemischen System ausgerüsteten Fahrzeugs.
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Der Aufbau ist dabei extrem einfach und kann im Vergleich zu anderen Arten von Isolationswächtern sehr früh eine Leckage detektieren. Damit kann das elektrochemische System abgeschaltet oder in einen Notlaufzustand gebracht werden, sodass weiterer Schaden sicher und zuverlässig verhindert werden kann.
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In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung 1 zu erkennen. Anstelle einer einzigen Fläche ist die Vorrichtung 1 hier in verschiedene Teilflächen unterteilt, welche alle entsprechend dem Aufbau in 1 ausgebildet sind.
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Diese Teilflächen 1 können beispielsweise durch ein Zerschneiden der Vorrichtung 1 beziehungsweise ein Zerschneiden von wenigstens einer der Elektroden 2, 4 der Vorrichtung in die unterschiedlichen Flächenteile erreicht werden. Jedes der Flächenteile wird dabei von der Auswerteelektronik 6 ausgewertet, wie es hier für einige der Flächenteile angedeutet ist. Prinzipiell wäre es natürlich möglich, für jeden einzelnen der Flächenteile der Vorrichtung 1 eine eigene Auswerteelektronik 6 vorzuhalten. Es ist jedoch einfacher, eine einzige Auswerteelektronik 6 zu verwenden und mittels eines Multiplexers die einzelnen Flächenteile der Reihe nach auszuwerten. Bei ständiger Auswertung kann so mit minimaler zeitlicher Verzögerung eine Leckage detektiert und einem speziellen Flächenteil zugeordnet werden. Damit lässt sich, insbesondere bei größeren elektrochemischen Systemen, eine Zuordnung der groben Position der Leckage erzielen.
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Der in der 2 dargestellte Aufbau kann darüber hinaus dazu verwendet werden, eine grobe Abschätzung des Leckagevolumens zu erreichen. Dabei wird entsprechend ausgewertet, wie viele der Flächenteile der Vorrichtung 1 von einer Leckage betroffen sind. Je größer die Anzahl der Flächenteile ist, desto größer muss dann auch das Volumen der über die Leckage ausgetretenen Flüssigkeit sein. Ein gestuftes Warnkonzept ist dadurch möglich.
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Die Auswerteelektronik 6 kann dabei, wie hier dargestellt, als eigenständige Elektronik ausgebildet sein. In bevorzugter Art und Weise ist diese jedoch in eine Elektronikeinheit integriert, welche in dem elektrochemischen System ohnehin vorhanden ist. Typischerweise kann dies ein Batteriemanagementsystem, eine Überwachungselektronik oder dergleichen sein. Diese einfache Elektronik für die Auswerteeinheit 6 kann problemlos dort mit integriert werden.
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Ein weiterer Vorteil dieser Zwischenlage 3 als saugfähigem Vlies besteht darin, dass ein Großteil der Leckageflüssigkeit aufgesaugt wird, sodass ein Schwappen oder Spritzen der Flüssigkeit weitgehend vermieden wird. Auch dadurch können Probleme mit der Benetzung von Elektronikbauteilen, eventuellen daraus resultierenden Kurzschlüssen und dergleichen verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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