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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug mit einem Temperaturmesselement und einer Auswerteeinheit. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Batteriesicherheitssystem mit einer solchen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung und einer Schutzeinrichtung zum Schutz des Energiespeichers. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, welches mit einer entsprechenden Vorrichtung zur Temperaturüberwachung bzw. einem entsprechenden Batteriesicherheitssystem ausgestattet ist.
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Im Fahrzeugbereich, insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz. Um einen sicheren Betrieb der Energiespeicher unter den gegebenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, ist eine Temperaturüberwachung der Energiespeicher notwendig. Diese Überwachung kann bei stationären Batteriesystemen permanent erfolgen, da eine Absicherung der Stromversorgung meistens aus dem Netz gewährleistet ist und im Falle eines Stromausfalls die für den Betrieb der Überwachungseinheit notwendige Energie für eine kurze Überbrückungszeit von der Batterie bereitgestellt werden kann.
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Bei langen Ausfallzeiten und kleineren Batteriesystemen, bzw. bei Fahrzeugbatterien mit langen Standzeiten, kann die Energieversorgung der Überwachungselektronik nicht permanent gewährleistet werden. Insbesondere bei Systemen auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien ist eine permanente Überwachung der Batteriesysteme jedoch absolut notwendig.
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Der Grund hierfür ist die Gefahr der Bildung von Dendriten an der negativen Elektrode (Anode), die zu einem Durchstoßen des Separators und zu einem Kurzschluss der Batteriezellen führen können. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem thermischen Durchgehen der Batterie mit hoher Hitzeentwicklung. Durch diese Übertemperatur kann es zu Explosionen mit anschließendem Brand des Energiespeichers kommen.
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Um dieses Problem zu vermeiden, müssen die Einzelzelltemperaturen der seriell und/oder parallel verschalteten Zellen des Energiespeichers beim Betrieb des Fahrzeugs und beim Parken überwacht werden. Für diese Überwachung werden die Temperaturen der Zellen in der Regel mit einem Thermoelement gemessen. Das gemessene Signal wird mittels einer Auswerteelektronik ausgewertet.
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Die
EP 1 070 944 A1 stellt ein Beispiel dieses Prinzips dar. Die Energiespeicher sind mit einem Messelement thermisch gekoppelt, dessen Widerstand von seiner Temperatur abhängt. Mittels einer Spannungsquelle wird an dieses Element eine Spannung angelegt und der resultierende Strom durch eine Auswerteelektronik gemessen. Da der Strom bei einer bekannten Spannung vom Widerstand des Messelementes abhängt, kann aufgrund des gemessenen Stroms die Temperatur des Messelementes und damit des Energiespeichers ermittelt werden. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass bei diesem Prinzip eine nicht unerhebliche Energie verbraucht wird.
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Daher ist es üblich, dass solche Systeme periodisch in einen Schlafmodus fallen, um den Energieverbrauch zu verringern. In der Praxis, insbesondere bei Energiespeichern in Hybrid-Fahrzeugen, wird die Überwachungselektronik also so betrieben, dass diese zyklisch aufwacht und den Zustand der Zellen des Energiespeichers abfragt. Das kann z. B. einmal pro Stunde passieren. Dadurch wird gewährleistet, dass bei einer längeren Standzeit des Fahrzeugs, z. B. beim Parken am Flughafen, die Elektronik nicht die gesamte Energie im Energiespeicher verbraucht. Dies führt jedoch auch zu Lücken in der Überwachung, wodurch Fehlfunktionen des Energiespeichers möglicherweise nicht rechtzeitig erkannt und somit Gegenmaßnahmen nicht rechtzeitig eingeleitet werden. Als Gegenmaßnahmen sind beispielsweise eine Trennung des Energiespeichers vom Kabelbaum oder eine Kühlung des Energiespeichers denkbar.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug bereitzustellen, die eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers möglichst zuverlässig überwacht und dabei möglichst wenig Energie verbraucht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben Ausführungsformen der Erfindung an.
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Dementsprechend umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug mit einem Temperaturmesselement und einer Auswerteeinheit. Das Temperaturmesselement umfasst ein erstes Kontaktelement zur Herstellung eines thermischen Kontakts zum Energiespeicher und ein zweites Kontaktelement zur Herstellung eines thermischen Kontaktes zu einem Element, das eine Referenztemperatur aufweist. Dabei ist das Temperaturmesselement derartig ausgestaltet, dass es basierend auf einem Seebeck-Effekt eine Thermospannung erzeugt, die von einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement abhängig ist. Die Auswerteeinheit dient der Auswertung der Thermospannung und ist erfindungsgemäß dafür eingerichtet, aus der durch das Temperaturmesselement bereitgestellten Thermospannung eine für einen Betrieb der Auswerteeinheit notwendige Energie zu gewinnen.
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Der Seebeck-Effekt ist aus dem Stand der Technik bekannt und beschreibt das Phänomen, dass an einer Kontaktstelle zweier Metalle oder Halbleiter mit unterschiedlichen Temperaturen eine elektrische Spannung, die sogenannte Thermospannung, entsteht. Bei einem geschlossenen Stromkreis fließt in Folge der Thermospannung ein elektrischer Strom, der als Thermostrom bezeichnet wird.
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Da die Auswerteeinheit mit Energie betrieben wird, die aus der Thermospannung gewonnen wird, benötigt die Auswerteeinheit keine Batterie. Die Energie, die die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung benötigt, stellt diese Vorrichtung sozusagen selber her, so dass auf eine externe Energiezufuhr verzichtet werden kann. Sollte die Temperaturdifferenz sehr klein sein, kann die Auswerteeinheit zwar nicht betrieben werden, es liegt aber auch keine Gefahrensituation vor, da eine Überhitzung des Energiespeichers offensichtlich nicht gegeben ist.
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In einer Ausführungsform umfasst das Temperaturmesselement ein Peltier-Element. Ein solches Peltier-Element weist in der Regel zwei oder mehrere abwechselnd p- und n-dotierte Halbleiterelemente auf, wobei häufig jeweils zwei Halbleiterelemente durch Metallbrücken miteinander verbunden sind, so dass eine Art Reihenschaltung entsteht. Peltier-Elemente besitzen gegenüber aneinander grenzenden Metallen den Vorteil, dass sie eine vergleichsweise höhere Leistung bereitstellen können.
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In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, ein Ausgangssignal auszugeben, wenn die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Auf diese Weise können mittels des Ausgangssignals externe Empfänger benachrichtigt werden, wenn möglicherweise eine Überhitzung des Energiespeichers vorliegt.
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Zusätzlich umfasst die Erfindung ein Batteriesicherheitssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung sowie einer Schutzeinrichtung zum Schutz des Energiespeichers. Dabei ist die Schutzeinrichtung dazu eingerichtet, über ein Aktivierungssignal aktiviert zu werden. Bei der Schutzeinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Kühlsystem zum Kühlen des Energiespeichers, ein Löschsystem zum Löschen des Energiespeichers oder einen Leistungstrenner zum Trennen des Energiespeichers von einem Kabelbaum des Fahrzeugs handeln. Darüber hinaus kann die Schutzeinrichtung auch ein Alarmsystem zum Ausgeben eines Alarmsignals und/oder zum Versenden einer Alarmnachricht über ein mobiles Kommunikationssystem umfassen. Beispielsweise kann das Alarmsystem dazu eingerichtet sein, über ein zelluläres Mobilfunknetz eine SMS (short message service) auszusenden. Die genannten Schutzeinrichtungen können natürlich auch miteinander kombiniert werden. Im Extremfalle umfasst die Schutzeinrichtung also nicht nur ein Kühlsystem, ein Löschsystem und einen Leistungstrenner, sondern darüber hinaus noch ein Alarmsystem.
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Die Schutzeinrichtung ermöglicht es, nachdem eine Überhitzung des Energiespeichers detektiert wurde, entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, die beispielsweise einen Brand des Energiespeichers verhindern.
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Bei einer Ausführungsform ist das Batteriesicherheitssystem derartig ausgestaltet, dass das Ausgangssignal der Auswerteeinheit der Schutzeinrichtung als Aktivierungssignal zugeführt wird. Die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung überwacht bei dieser Ausführungsform also unabhängig von externen Energiequellen die Temperatur des Energiespeichers und aktiviert die Schutzeinrichtung, wenn eine Überhitzung des Energiespeichers vorliegt.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Batteriesicherheitssystem darüber hinaus eine Batterieüberwachungseinheit. Diese Batterieüberwachungseinheit ist dazu eingerichtet, über ein Aufwecksignal aufgeweckt zu werden, im wachen Zustand eine Situation des Energiespeichers zu bewerten und das Aktivierungssignal an die Schutzeinrichtung auszugeben, wenn die Situation als Ausnahmesituation bewertet wird. Zusätzlich ist das Batteriesicherheitssystem derartig ausgestaltet, dass die Auswerteeinheit ihr Ausgangssignal der Batterieüberwachungseinheit als Aufwecksignal zuführt. Somit wird bei dieser Ausführungsform das Ausgangssignal der Auswerteeinheit nicht der Schutzeinrichtung direkt zugeführt. Vielmehr weckt das Ausgangssignal der Auswerteeinheit zunächst die Batterieüberwachungseinheit auf, die das Ergebnis der Auswerteeinheit zum Beispiel noch einmal plausibilisiert und/oder überprüft, bevor die Schutzeinrichtung aktiviert wird.
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Es ist denkbar, dass auch die Batterieüberwachungseinheit mit Energie betrieben wird, die aus der Thermospannung gewonnen wird. In diesem Falle ist das Batteriesicherheitssystem also dafür eingerichtet, aus der durch das Temperaturmesselement bereitgestellten Thermospannung eine für einen Betrieb der Batterieüberwachungseinheit notwendige Energie zu gewinnen. Dadurch benötigt die Batterieüberwachungseinheit keine externe Energieversorgung.
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Zumeist benötigt die Batterieüberwachungseinheit deutlich mehr Energie als die Auswerteeinheit, so dass es sinnvoll sein kann, die aus der Thermospannung gewonnene Energie über einen größeren Zeitraum zu sammeln und zu speichern. Daher weist das Batteriesicherheitssystem in einer Ausführungsform einen Zwischenspeicher zum Sammeln und Speichern von aus der Thermospannung gewonnener Energie auf. Bei diesem Zwischenspeicher kann es sich insbesondere um einen Kondensator oder um eine Festkörperbatterie handeln. Ein solcher Zwischenspeicher erlaubt es, selbst solche Batterieüberwachungseinheiten mittels der aus der Thermospannung gewonnenen Energie zu betreiben, die eine Leistungsaufnahme aufweisen, die die Leistungsabgabe des Temperaturmesselements deutlich übersteigt.
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Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung oder einem erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystem. Das Fahrzeug weist eine Karosserie auf, die eine Referenztemperatur zur Verfügung stellt, mit der das zweite Kontaktelement des Temperaturmesselements im thermischen Kontakt steht.
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Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug;
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2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems;
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3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems;
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4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems und
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5 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems.
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Gleiche und wirkungsgleiche Elemente sind in den Figuren, sofern nicht anderweitig angegeben, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug. Die gezeigte Vorrichtung 1 umfasst ein Temperaturmesselement 2 mit einem ersten Kontaktelement 3 zur Herstellung eines thermischen Kontakts zum Energiespeicher und einem zweiten Kontaktelement 4 zur Herstellung eines thermischen Kontaktes zu einem Element, das eine Referenztemperatur aufweist. Das Temperaturmesselement 2 ist derartig ausgestaltet, dass es basierend auf dem Seebeck-Effekt eine Thermospannung Ut erzeugt, die von einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement 3, 4 abhängig ist. Über zwei Leitungen 5, 6 wird diese Thermospannung Ut einer Auswerteeinheit 7 zur Verfügung gestellt, die diese auswertet. Die Auswerteeinheit 7 ist dabei dafür eingerichtet, aus der durch das Temperaturmesselement 2 bereitgestellten Thermospannung Ut eine für den Betrieb der Auswerteeinheit 7 notwendige Energie zu gewinnen. Darüber hinaus besitzt die Auswerteeinheit die Fähigkeit, ein Ausgangssignal, das durch den Pfeil 8 symbolisiert wird, auszugeben, wenn die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
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Die 2 illustriert eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems 9, die die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperaturüberwachung 1 umfasst. Wie oben beschrieben wurde, kann die Auswerteeinheit 7 dieser Vorrichtung 1 ein Ausgangssignal 8 ausgeben. Das Ausgangssignal gelangt zu einer Schutzeinrichtung 10 zum Schutz des Energiespeichers, wo das Ausgangssignal 8 als Aktivierungssignal aufgefasst wird und zu einer Aktivierung der Schutzeinrichtung 10 führt.
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Die Schutzeinrichtung 10 kann ein oder mehrere der folgenden Elemente bzw. Systeme umfassen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Schutzeinrichtung ein Kühlsystem aufweist, mit dessen Hilfe es möglich ist, den Energiespeicher zu kühlen, um so eine Überhitzung des Energiespeichers zu verhindern. In Extremfällen kann der Energiespeicher sogar in Brand geraten. Für diese Fälle kann die Schutzeinrichtung mit einem Löschsystem zum Löschen des Energiespeichers ausgestattet sein. In vielen Fällen wird es bereits ausreichen, den Energiespeicher vom Kabelbaum des Fahrzeugs zu trennen. Dies kann mittels eines Leistungstrenners erfolgen. Darüber hinaus kann die Schutzeinrichtung 10 ein Alarmsystem zum Ausgeben eines Alarmsignals aufweisen. Ein solches Alarmsignal kann beispielsweise ein akustisches oder auch ein visuelles Signal sein. Es ist auch denkbar, dass das Alarmsystem eine Alarmnachricht versendet. Beispielsweise ist es möglich, Nachrichten über ein zelluläres Mobilfunknetz oder auch eine Car-to-Car-Verbindung oder andere Technologien zu versenden.
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In der 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems illustriert. Diese zweite Ausführungsform 11 umfasst wiederum die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung 1 aus 1 sowie die Schutzeinrichtung 10 aus 2. Das Ausgangssignal 8, das die Auswerteeinheit 7 ausgibt, geht bei dieser zweiten Ausführungsform jedoch nicht direkt an die Schutzeinrichtung 10. Vielmehr weist die zweite Ausführungsform 11 eine Batterieüberwachungseinheit 12 auf, die durch das Ausgangssignal 8 der Auswerteeinheit 7 aufgeweckt wird, im wachen Zustand eine Situation des Energiespeichers bewertet und das Aktivierungssignal 13 an die Schutzeinrichtung ausgibt, wenn die Situation des Energiespeichers als Ausnahmesituation bewertet wird. Eine solche Ausnahmesituation kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die durch das Temperaturmesselement gemessen Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
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In 4 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems illustriert. Das Batteriesicherheitssystem 14 umfasst ein Temperaturmesselement 15 mit einem ersten Kontaktelement 16 und einem zweiten Kontaktelement 17, die aus unterschiedlichen Metallen, beispielsweise Kupfer bzw. Platin, bestehen. Das erste Kontaktelement 16 steht über eine erste Keramikschicht 18 in einem thermischen Kontakt zu einem Energiespeicher 19. Die Keramikschicht 18 zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein sehr guter Wärmeleiter, aber ein sehr schlechter elektrischer Leiter ist, so dass eine thermische Kopplung zwischen dem ersten Kontaktelement 16 und dem Energiespeicher 19 entsteht, ohne dass es zu einer elektrischen Verbindung kommt. Auf der anderen Seite steht das zweite Kontaktelement 17 über eine zweite Keramikschicht 20 mit der Karosserie eines Fahrzeuges 21 in einem thermischen Kontakt. Die Karosserie 21 besitzt eine Referenztemperatur, die sich von einer Temperatur des Energiespeichers 19 in der Regel unterscheidet. Die zwischen dem ersten Kontaktelement 16 und dem zweiten Kontaktelement 17 herrschende Thermospannung Ut wird über die beiden Leitungen 22 und 23 abgegriffen und der Auswerteeinheit 7 zur Verfügung gestellt. Die Auswerteeinheit 7 ist mit der Batterieüberwachungseinheit 12 verbunden, die wiederum mit der Schutzeinrichtung 10 gekoppelt ist.
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In 5 ist eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems dargestellt. Diese vierte Ausführungsform 24 unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform 14, wie sie in 4 abgebildet ist, dadurch dass ein Peltier-Element 25 verwendet wird. Das Peltier-Element 25 besteht aus mehreren p-dotierten Halbleiterelementen 26a, 26b, 26c, 26d und mehreren n-dotierten Halbleiterelementen 27a, 27b, 27c, 27d. Jeweils zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterelemente sind über Metallbrücken 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 28f, 28g miteinander gekoppelt. Das Peltier-Element 25 steht wiederum über eine erste Keramikschicht 18 in einem thermischen Kontakt mit dem Energiespeicher 19 und über eine zweite Keramikschicht 20 in einem thermischen Kontakt mit der Karosserie 21. Das p-dotierte Halbleiterelement 26a ist über eine Metallbrücke 29a mit der Leitung 22 und das n-dotierte Halbleiterelement 27d über die Metallbrücke 29b mit der Leitung 23 verbunden. Die Leitungen 22 und 23 dienen dem Abgriff der Thermospannung Ut, die der Auswerteeinheit 7 zugeführt wird. Wie bereits mit Bezug auf 4 erläutert, steht die Auswerteeinheit 7 in Verbindung mit der Batterieüberwachungseinheit 12, die ein entsprechendes Aktivierungssignal an die Schutzeinrichtung 10 geben kann.
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Ein Peltier-Element kann bei Temperaturunterschieden von 60 bis 80 Grad Celsius durchaus Leistungen von bis zu einem Watt erzeugen. Diese Leistung kann ausreichen, um damit direkt die Batterieüberwachungseinheit 12 zu betreiben. In der Ausführungsform 24 ist jedoch zusätzlich ein Zwischenspeicher 30 vorgesehen, der die aus der Thermospannung Ut gewonnene Energie sammelt und speichert, um so Leistungsentnahmen der Auswerteeinheit 7 und der Batterieüberwachungseinheit 12 zu ermöglichen, die die Leistungsabgabe des Peltier-Elements 25 überschreiten.
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Die mit Bezug auf die Figuren gemachten Erläuterungen sind rein illustrativ und nicht beschränkend zu verstehen. An den gezeigten Ausführungsformen können viele Änderungen vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist, zu verlassen. Die Elemente der gezeigten Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, um so weitere für den Anwendungszweck optimierte Ausführungsformen bereitzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung
- 2
- Temperaturmesselement
- 3
- erstes Kontaktelement
- 4
- zweites Kontaktelement
- 5
- Leitung
- 6
- Leitung
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Ausgangssignal
- 9
- erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems
- 10
- Schutzeinrichtung zum Schutz des Energiespeichers
- 11
- zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems
- 12
- Batterieüberwachungseinheit
- 13
- Aktivierungssignal
- 14
- dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems
- 15
- Temperaturmesselement
- 16
- erstes Kontaktelement
- 17
- zweites Kontaktelement
- 18
- erste Keramikschicht
- 19
- Energiespeicher
- 20
- zweite Keramikschicht
- 21
- Karosserie
- 22
- Leitung
- 23
- Leitung
- 24
- vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems
- 25
- Peltier-Element
- 26a–26d
- p-dotiertes Halbleiterelement
- 27a–27d
- n-dotiertes Halbleiterelement
- 28a–28g
- Metallbrücken
- 29a, 29b
- Metallbrücken
- 30
- Zwischenspeicher
