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Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Sensorvorrichtung.
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Zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antrieb der elektrischen Motoren von Elektrofahrzeugen bzw. von auch elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugen (bspw. Hybridfahrzeugen) werden aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte derzeit vorwiegend wiederaufladbare Lithium-Batterien (Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Ionen-Polymer-Batterien) verwendet. In geringerem Umfang kommen auch andere wiederaufladbare Batterietypen zum Einsatz, wie etwa wiederaufladbare Nickel-Metallhydrid-Batterien.
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Bei diesen Batterien, die auch als HV-Batterien (Hochvolt-Batterien), Traktions-Batterien, Traktionsakkus, Antriebsbatterien oder Zyklenbatterien bezeichnet werden, sind in der Regel mehrere Batterie-Einzelzellen (Batteriezellen) in Reihe und mehrere der hierdurch erhaltenen Batteriemodule parallel zueinander geschaltet. HV-Batterien weisen daher oftmals eine Spannung von 300 V und höher auf.
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Aufgrund der hohen Spannung und Energiedichte von HV-Batterien wird insbesondere auch im Bereich des (Kraft)Fahrzeugbaus Sicherheitsaspekten, die mit der Verwendung von HV-Batterien verbunden sind, höchste Priorität eingeräumt. Vor diesem Hintergrund sind bereits eine Anzahl an Sicherheitseinrichtungen für HV-Batterien entwickelt worden, wie etwa Batteriemanagementsysteme, Kühleinrichtungen, Trenneinrichtungen vom HV-Stromnetz, Löscheinrichtungen, etc.
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Zu den Sicherheitseinrichtungen für HV-Batterien gehören auch die sog. „Venting-Einrichtungen”, die sowohl bei Batterie-Zellen (Batterie-Einzelzellen) als auch bei den Gehäusen der HV-Batterien vorgesehen sind. „Zell-Venting-Einrichtungen” von Batterie-Zellen öffnen sich bei Überschreiten eines vorgegebenen Zellinnendrucks, wodurch dieser abgebaut wird. Beim Öffnen einer Zell-Venting-Einrichtung können gasförmige, flüssige oder feste Bestandteil aus der Batterie-Zelle in den Innenraum des Batteriegehäuses austreten. Beispiele für eine Zell-Venting-Einrichtung sind etwa eine dünne Membran, Sollbruchstelle, Überdruckventil, etc. Für eine umfassende Diagnose des Batteriezustands ist es wichtig, ein Öffnen von Zell-Venting-Einrichtungen zu erkennen, etwa um die Batterie nachfolgend sofort oder zeitnah außer Betrieb setzen zu können.
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Nach dem vorbekannten Stand der Technik kann das öffnen von Zell-Venting-Einrichtungen oftmals nur indirekt erkannt werden, bspw. durch ein übermäßiges Abfallen der überwachten Zellspannung, durch Temperaturauswertungen oder Isolationswiderstands-Wächter. So beschreibt etwa die
DE 10 2012 213 726 A1 eine externe Überwachungsvorrichtung zur Überwachung von Batterien während ihres Transports und/oder ihrer Lagerung. Die externe Überwachungsvorrichtung umfasst eine Kommunikationsschnittstelle, die eingerichtet ist, mit einer batterieeigenen Kommunikationsschnittstelle zu kommunizieren und einen an der batterieeigenen Kommunikationsschnittstelle bereitgestellten Wert einzulesen, eine Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, den Wert zu verarbeiten, einen Speicher, welcher dazu ausgebildet ist, den Wert und/oder auf dem Wert basierende Daten zu speichern und/oder eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einem externen Drittgerät, die ausgebildet ist, den Wert und/oder auf dem Wert basierende Daten an das Drittgerät zu übermitteln. Der bereitgestellte Wert basiert auf wenigstens einer von einem Messmittel der Batterie erfassten Messgröße, etwa einer Spannung, einem Strom, einer Temperatur und/oder einem Ladungszustand. Die Überwachungsvorrichtung kann selbst auch ein Messmittel umfassen, mit dem etwa eine Lichtstärke, eine Feuchtigkeit, ein Gasgehalt, eine Beschleunigung und/oder eine geografische Position eines Transportbehältnisses für die Batterie bestimmt werden kann.
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Des Weiteren sind Zellen bekannt, bei denen die Zell-Venting-Einrichtung mit einem mechanischen Stromtrenner gekoppelt ist. Hiermit kann eine mechanische Unterbrechung des HV-Stromkreises beim Öffnen der Zell-Venting-Einrichtung, bspw. unter Zuhilfenahme des Zellinnendrucks erfolgen. Eine Realisation dieser Kombination ist jedoch mit einem erheblichen technischen und somit auch finanziellen Aufwand verbunden.
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Und die
DE 10 2011 076 993 A1 beschreibt ein Batteriesystem mit wenigstens zwei Speicherzellen und einem mit den Speicherzellen fluidleitend verbundenen Entgasungssystem. Das Batteriesystem umfasst wenigstens einen im Entgasungssystem angeordneten Signalgeber und eine Signale vom wenigstens einen Signalgeber auswertende Auswerteeinheit. Der wenigstens eine Signalgeber ist dabei ausgebildet, bei einem vordefinierten Volumenstrom am Signalgeber oder einem damit einhergehenden vordefinierten Druckunterschied vor und hinter dem Signalgeber seinen Signalzustand zu wechseln. Der Signalgeber kann bspw. einen auf einer Membran aufgebrachten Kontaktfaden umfassen, wobei die Membran mitsamt dem Kontaktfaden bei einem vordefinierten Druckunterschied bzw. einem vordefinierten Volumenstrom zerreißbar und somit einen Stromkreis zur Auswerteeinheit unterbrechbar ausgebildet ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batteriesystem mit einer Sensorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, wobei mittels der Sensorvorrichtung auf neuartige Weise auf den Zustand der Zell-Venting-Einrichtung geschlossen werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Batteriesystem gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Batteriesystems sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit wenigstens einer in einem Gehäuse angeordneten Batterie-Einzelzelle vorgeschlagen, wobei die Batterie-Einzelzelle wenigstens eine sich ab einem vorgegebenen Zellinnendruck öffnende Zell-Venting-Einrichtung aufweist. Diese Zell-Venting-Einrichtung kann entweder Bestandteil der Zelle sein (bspw. Berstscheibe, lokale Schwächung des Zell-Gehäuses bzw. einer umhüllenden Zell-Folie) oder indirekt durch bspw. einen Fixierrahmen mit einer lokalen Aussparung beim Fixieren einer Pouch-Folien Siegelnaht ausgebildet sein.
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Das Batteriesystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es weiter eine Sensorvorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist,
- – einen Druck im Inneren des Gehäuses
- – eine Trübung eines sich in dem Gehäuse befindlichen Gases,
- – wenigstens eine chemische Verbindung eines sich in dem Gehäuse befindlichen Gases,
- – ein Vorhandensein von freiem, flüssigem Elektrolyt im Inneren des Gehäuses,
- – eine Temperatur im Inneren des Gehäuses, bei der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle und/oder bei deren Zell-Venting-Einrichtung, und/oder
- – ein Öffnen der Zell-Venting-Einrichtung
zu erfassen und ein dem Ergebnis der Erfassung entsprechendes Signal zu erzeugen.
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Durch das/die Signal(e) der Sensorvorrichtung kann unmittelbar auf den Zustand der Zell-Venting-Einrichtung(en) geschlossen werden, d. h. es kann festgestellt werden, ob sich (eine) Zell-Venting-Einrichtung(en) geöffnet hat/haben oder nicht. Die von der Sensoreinrichtung erfasste(n) Umgebungsbedingung(en) erfährt/erfahren beim Öffnen/Venting von (einer) Batterie-Zelle(n) eine typische Veränderung, wodurch ein entsprechendes (geändertes) Signal erzeugt wird.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Batteriesystems umfasst die wenigstens eine Sensorvorrichtung wenigstens eines der folgenden Sensorprinzipien:
- – eine Drucksensoreinrichtung zur Erfassung des Drucks im Inneren des Gehäuses,
- – eine optische Sensoreinrichtung zur Erfassung der Trübung des sich in dem Gehäuse befindlichen Gases,
- – eine Analysesensoreinrichtung zur Erfassung von wenigstens einer chemischen Verbindung des sich in dem Gehäuse befindlichen Gases,
- – eine Elektrolytsensoreinrichtung zur Erfassung von in dem Gehäuse befindlichem freiem, flüssigem Elektrolyt,
- – eine Infrarotsensoreinrichtung und/oder einen Kontrolldraht, bei dem sich der elektrische Widerstand von wenigstens einem Abschnitt davon in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, zur Erfassung der Temperatur im Inneren des Gehäuses, bei der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle und/oder bei deren Zell-Venting-Einrichtung,
- – eine Wegsensoreinrichtung zum Erfassen des Öffnens der Zell-Venting-Einrichtung, und/oder
- – einen Kontrolldraht in Form einer optischen Faser, bei dem sich die optischen Eigenschaften in wenigstens einem Abschnitt davon in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, zur Erfassung der Temperatur im Inneren des Gehäuses, bei der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle und/oder bei deren Zell-Venting-Einrichtung.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des Batteriesystems ist die Sensoreinrichtung weiter dazu eingerichtet,
- – ein öffnen der Zell-Venting-Einrichtung von der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle mit Hilfe eines sich über die Zell-Venting-Einrichtung erstreckenden Kontrolldrahts zu erfassen,
derart, dass der Kontrolldraht bei einem Öffnen der Zell-Venting-Einrichtung mechanisch durchtrennt oder beschädigt wird, dass ein Fehlersignal ausgewertet werden kann.
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Der Kontrolldraht kann beispielsweise ein elektrisches Spannungssignal führen oder aber auch als optische Faser ausgebildet sein, die ein optisches Signal überträgt.
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Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung des Batteriesystems ist die Sensorvorrichtung weiter dazu eingerichtet,
- – eine Beschleunigung der Batterie zu erfassen.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Batteriesystems weist dieses eine Auswertungseinrichtung auf und ist die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet, das/die erzeugte(n) Signal(e) an eine Auswertungseinrichtung zu übertragen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn hierbei die Auswertungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das/die an sie übertragene(n) Signal(e) mit vorgegebenen Grenzwerten und/oder erfassten Referenzwerten zu vergleichen und bei Vorliegen einer Überschreitung der vorgegebenen Grenzwerte und/oder einer Abweichung von den Referenzwerten einen Fehlerfall zu signalisieren.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei dem Batteriesystem die Auswertungseinrichtung dazu eingerichtet ist, das/die an sie übertragene(n) Signal(e) in einer hierfür vorgesehenen Speichereinrichtung zumindest temporär zu speichern.
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Das Batteriesystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann als eine HV-Batterie mit einer Mehrzahl an Batterie-Einzelzellen ausgebildet sein. Hierbei kann die Auswertungseinrichtung in vorteilhafter Weise dazu eingerichtet sein, in einem Fehlerfall eine Unterbrechung einer elektrischen Verbindung der HV-Batterie von einem HV-Stromkreis zu bewirken.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Batteriesystems;
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2: eine schematische, perspektivische Ansicht eines beispielhaften Zellblocks mit einer Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Temperatur im Bereich von Zell-Venting-Einrichtungen;
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3: eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Batteriesystems mit der Sensorvorrichtung gemäß 2;
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4: eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einer Sensorvorrichtung zum Erfassen von in dem Gehäuse befindlichem freiem, flüssigem Elektrolyt.
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Die Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Innerhalb der Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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Die in den Figuren dargestellte Anordnung der einzelnen Komponenten ist rein beispielhaft und dient nur der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung. So wird ein Fachmann bspw. die Anordnung der Sensorvorrichtung 5 und die entsprechenden Sensoreinrichtungen je nach den Anforderungen an das Batteriesystem 1 und die Sensoreinrichtung(en) wählen. Auch kann bspw. die Auswertungseinrichtung 10 innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein.
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Wie in 1 schematisch und beispielhaft gezeigt ist, weist das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 wenigstens eine in einem Gehäuse 2 angeordnete Batterie-Einzelzelle 3 auf. Neben der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle 3 weist das Gehäuse 2 auch einen Bauraum für die Sensorvorrichtung 5 auf. Darüber hinaus kann das Gehäuse 2 auch einen Bauraum für eine Auswertungseinrichtung 10 aufweisen, sowie für (in den Figuren nicht dargestellte) weitere elektrische, elektronische und/oder optoelektronische Einrichtungen.
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Bezüglich der Größe, des Materials, der Ausgestaltung, etc. des Gehäuses 2 bestehen keine besonderen Beschränkungen und das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 kann jedes für eine Batterie geeignete Gehäuse 2 aufweisen. Selbstverständlich kann das Gehäuse 2 Elemente, Baugruppen, Einrichtungen, etc. aufweisen, die bei Batteriegehäusen üblich, erforderlich und/oder wünschenswert sind. Als Beispiele hierfür seien erwähnt eine Gehäuse-Venting-Einrichtung 11 (etwa in Form einer Membran, eines Überdruckventils, einer Berstscheibe, etc.), Durchtrittsöffnungen für elektrische Leiter, Sensoren, Signalstecker, Anzeigeeinrichtungen, etc.
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Auch bezüglich der in dem Gehäuse 2 angeordneten, wenigstens einen Batterie-Einzelzelle 3 bestehen keine besonderen Beschränkungen und es können alle Arten von Batterie-Einzelzellen 3 vorhanden sein, bei denen im regulären Betrieb und/oder im Falle einer Störung ein erhöhter Zellinnendruck entstehen kann, der über eine bei der Batterie-Einzelzelle 3 vorhandenen Zell-Venting-Einrichtung 4 abgebaut werden kann. In den 1 bis 4 sind der Übersichtlichkeit halber nur jeweils zwei der dort jeweils 13 dargestellten Batterie-Einzelzellen 3 mit einem Bezugszeichen versehen.
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In der Regel weist jede der Batterie-Einzelzelle 3 des Batteriesystems 1 eine Zell-Venting-Einrichtung 4 auf, mittels der ein in der Batterie-Einzelzelle 3 entstandener Überdruck abgelassen werden kann. Eine Zell-Venting-Einrichtung 4, die sich ab einem vorgegebenen Zellinnendruck öffnet und wie sie schematisch in 2 dargestellt ist, kann bspw. in Form einer Membran, Sollbruchstelle, Überdruckventil, etc. ausgebildet sein. In der 2 sind der Übersichtlichkeit halber nur jeweils zwei der dort jeweils 13 dargestellten Zell-Venting-Einrichtungen 4 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 weist weiter wenigstens eine Sensorvorrichtung 5 auf, die dazu eingerichtet ist,
- – einen Druck im Inneren des Gehäuses 2,
- – eine Trübung 6 eines sich in dem Gehäuse 2 befindlichen Gases,
- – wenigstens eine chemische Verbindung eines sich in dem Gehäuse 2 befindlichen Gases,
- – ein Vorhandensein von freiem, flüssigem Elektrolyt 7 im Inneren des Gehäuses 2,
- – eine Temperatur im Inneren des Gehäuses 2, bei der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle 3 und/oder bei deren Zell-Venting-Einrichtung 4, und/oder
- – ein Öffnen der Zell-Venting-Einrichtung 4
zu erfassen und ein dem Ergebnis der Erfassung entsprechendes Signal zu erzeugen.
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Für die Erfassung von einem oder mehreren der oben genannten Parameter im Inneren des Gehäuses 2 des Batteriesystems 1 umfasst die Sensorvorrichtung 5 in vorteilhafter Weise
- – eine Drucksensoreinrichtung zur Erfassung des Drucks im Inneren des Gehäuses 2,
- – eine optische Sensoreinrichtung zur Erfassung der Trübung 6 des sich in dem Gehäuse 2 befindlichen Gases,
- – eine Analysesensoreinrichtung zur Erfassung von wenigstens einer chemischen Verbindung des sich in dem Gehäuse 2 befindlichen Gases,
- – eine Elektrolytsensoreinrichtung 8 zur Erfassung von in dem Gehäuse 2 befindlichem freiem, flüssigem Elektrolyt 7,
- – eine Infrarotsensoreinrichtung und/oder einen Kontrolldraht 9, bei dem sich der elektrische Widerstand von wenigstens einem Abschnitt davon in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, zur Erfassung der Temperatur im Inneren des Gehäuses 2, bei der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle 3 und/oder bei deren Zell-Venting-Einrichtung 4,
- – eine Wegsensoreinrichtung zum Erfassen des Öffnens der Zell-Venting-Einrichtung 4, und/oder
- – einen Kontrolldraht 9 in Form einer optischen Faser (Lichtleiter), bei dem sich die optischen Eigenschaften, wie bspw. die optische Dichte, in wenigstens einem Abschnitt davon in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, zur Erfassung der Temperatur im Inneren des Gehäuses 2, bei der wenigstens einen Batterie-Einzelzelle 3 und/oder bei deren Zell-Venting-Einrichtung 4.
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Durch die bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 1 vorgesehene Sensorvorrichtung 5 und das/die durch sie erzeugte(n) Signal(e) kann direkt auf den Zustand der Zell-Venting-Einrichtungen 4 geschlossen und somit die Batteriesicherheit erhöht werden. Hierzu sind im Inneren des Gehäuses 2 Sensoreinrichtungen installiert, die auf typische Veränderungen der Umgebungsbedingungen beim Öffnen/Venting einer Batterie-Einzelzelle 3 reagieren. Diese Veränderungen umfassen bspw. Druck-Änderungen, Partikel-Bildung, Änderungen der Gaszusammensetzung, thermische Änderungen aber auch Zerfalls- und Korrosionserscheinungen, wie sie beim Kontakt von Bauteilen mit Elektrolyt 7 auftreten.
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Mit der Sensorvorrichtung 5 und den Sensoreinrichtungen lassen sich darüber hinaus auch Undichtigkeiten von Batterie-Einzelzellen 3 detektieren, die z. B. durch Beschädigung von deren Gehäusen im Crashfall, durch Alterungseffekte etc. entstanden sind.
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Im Nachfolgenden werden einige typische Sensoreinrichtungen und deren Verwendung beschreiben.
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Wie in den 2 und 3 schematisch und beispielhaft dargestellt ist, kann die Sensorvorrichtung 5 einen oder mehrere spezielle(n) Draht/Drähte aufweisen, der/die auch Kontrolldraht/Kontrolldrähte 9 oder Zell-Sensorleitung/Zell-Sensorleitungen genannt werden. Dieser Draht/Diese Drähte 9 kann/können als thermischer Widerstand ausgeführt sein, so dass sich bei Temperaturänderungen sein elektrischer Widerstand und somit bspw. der durch ihn verursachte Spannungsabfall ändert, wodurch durch die Sensorvorrichtung 5 ein Signal generiert werden kann.
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Wie in den 2 und 3 schematisch und beispielhaft dargestellt ist, kann die Sensorvorrichtung 5 einen oder mehrere spezielle(n) Draht/Drähte aufweisen, der/die auch Kontrolldraht/Kontrolldrähte 9 oder Zell-Sensorleitung/Zell-Sensorleitungen genannt werden. Dieser Draht/Diese Drähte 9 kann/können als optische Fasern ausgeführt sein, bei denen sich bei Temperaturänderungen seine/ihre optischen Eigenschaften ändern und somit bspw. mittels der durch eine Temperaturveränderung verursachten Änderung der optischen Dichte mit den Phänomenen der Extinktion (Dämpfung der Lichtstärke von Licht, das durch ein Medium scheint) und der Höhe des Brechungsindexes eines optischen Mediums durch die Sensorvorrichtung 5 ein Signal generiert werden kann.
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Der Kontrolldraht/Die Kontrolldrähte 9 kann/können auch mehrere Temperaturmessstellen (etwa ähnlich PT100 Messstellen) aufweisen, so dass eine Temperatur/Temperaturen bei oder in der Nähe der jeweiligen Temperaturmessstellen erfasst werden kann/können.
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Der Kontrolldraht/Die Kontrolldrähte 9 kann bspw. in der Nähe der oder über die Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 verlaufen, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist, wodurch eine Temperatur/Temperaturen bei oder nahe der Zell-Venting-Öffnung(en) erfasst werden können.
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Wie Fachleuten bekannt ist, ist die Entwicklung eines Überdrucks im Inneren von Batterie-Einzelzellen 3, etwa bei Lithium-Ionen- und Lithium-Ionen-Polymer-Batterie-Einzelzellen regelmäßig verknüpft mit einer (eventuell vorherigen) Erhöhung der Temperatur im Inneren der Batterie-Einzelzelle(n) 3. Wenn sich aufgrund eines erhöhten Zellinnendrucks eine Zell-Venting-Einrichtung 4 öffnet, treten somit Bestandteile aus der Batterie-Einzelzelle 3 aus, die eine erhöhte Temperatur aufweisen. Ein solches öffnen von Zell-Venting-Einrichtungen 3 ist in den 3 und 4 mittels Dreiecken an der Unterseite von drei Batterie-Einzelzellen 3 symbolisch dargestellt. Wird eine erhöhte Temperatur bei oder in der Nähe von (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 erfasst, kann davon ausgegangen werden, dass sich (eine) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 geöffnet hat.
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Der Begriff Kontrolldraht/Kontrolldrähte 9 ist gemäß der vorliegenden Anmeldung nicht auf Draht/Drähte im engeren Sinne beschränkt und umfasst bspw. auch fadenartige Elemente (Kontrollfaden) sowie leitfähige Kunststofflitzen oder Folienstreifen, die bei einer erhöhten Temperatur schmelzen, wodurch eine Leitung von elektrischem Strom verringert oder gar unterbunden wird. Auch diese Veränderung (Änderung des elektrischen Widerstands bis hin zu einem „unendlich” hohen elektrischen Widerstand) kann zur Generierung eines Signals durch die Sensorvorrichtung 5 verwendet werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Detektierung eines Öffnens von (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 oder einer Undichtigkeit bei Batterie-Einzelzelle(n) 3 stellt die Erfassung von freiem, flüssigem Elektrolyt 7 dar. Ein entsprechend eingerichtetes Batteriesystem 1 ist in 4 schematisch und beispielhaft dargestellt.
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Eine Elektrolytsensoreinrichtung 8 kann bspw. ein Elektrolyt-empfindliches Material aufweisen, das bei Kontakt mit freiem Elektrolyt 7 chemisch verändert/zersetzt wird. Hierdurch kann bspw. zwischen elektrischen Leitern, die in/bei dem Elektrolyt-empfindlichen Material vorhanden sind, ein elektrischer Kontakt (Kurzschluss) hergestellt oder unterbrochen werden. Als Beispiele für eine Elektrolytsensoreinrichtung 8 seien erwähnt eine nicht elektrisch leitende Folie mit ein- oder aufgebrachten elektrischen Leitern (durch Veränderung der nicht elektrisch leitenden Folie durch Kontakt mit Elektrolyt 7 wird elektrischer Kontakt zwischen den Leitern hergestellt) oder eine elektrisch leitende Folie mit ein- oder aufgebrachten elektrischen Leitern (durch Veränderung der elektrisch leitenden Folie durch Kontakt mit Elektrolyt 7 wird elektrischer Kontakt zwischen den Leitern unterbrochen). Die jeweilige Veränderung kann zur Generierung eines Signals durch die Sensorvorrichtung 5 verwendet werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Detektierung eines Öffnens von (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 oder einer Undichtigkeit bei Batterie-Einzelzelle(n) 3 stellt die Erfassung des Zustands bzw. von Inhaltsstoffen des sich in dem Gehäuse 2 befindlichen Gases dar.
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So kann bspw. mittels einer optischen Sensoreinrichtung eine Trübung 6 des sich in dem Gehäuse 2 befindlichen Gases erfasst werden. Eine solche Trübung 6 kann bspw. durch den Austritt von Partikeln, wie etwa Kohlenstaub, oder eines Aerosols oder allgemeiner ausgedrückt von unerwünschten Substanzen (Schadsubstanzen) aus den Batterie-Einzelzellen 3 hervorgerufen werden.
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Und mittels einer Analysesensoreinrichtung, von denen ebenfalls eine große Anzahl bekannt und kommerziell erhältlich sind, lässt sich wenigstens eine chemische Verbindung innerhalb des sich in dem Gehäuse 2 befindlichen Gases ermitteln, die charakteristischer Weise auftritt, wenn sich (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 öffnen oder eine Undichtigkeit bei Batterie-Einzelzelle(n) 3 auftritt. Als Beispiele für derartige Verbindungen seien Kohlenmonoxid, Wasserstoffgas, Kohlenstaub, verdampftes oder in Aerosolform auftretender Elektrolyt 7, etc. erwähnt.
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Wie oben bereits erwähnt, steht das Öffnen von (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 in der Regel im Zusammenhang mit der Entwicklung von einer im Vergleich zu einem störungsfreien Betrieb erhöhten Temperatur im Inneren der Batterie-Einzelzelle(n) 3. Daher kann ein Öffnen von (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 oder eine Undichtigkeit bei Batterie-Einzelzelle(n) 3 (aufgrund eines erhöhten Zellinnendrucks) auch mittels einer Infrarotsensoreinrichtung erfasst werden, wobei mittels der Infrarotsensoreinrichtung eine Temperatur im Inneren des Gehäuses 2, bei wenigstens einer Batterie-Einzelzelle 3 und/oder bei wenigstens einer Zell-Venting-Einrichtung 4 erfasst werden kann. Mittels einer Infrarotsensoreinrichtung kann auch erhöhte Temperaturen, etwa bei Flammenbildung erfasst werden.
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Ein unmittelbares Erfassen des Öffnens von (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 (etwa einer Venting-Membran) kann auch mittels eines Wegsensors erfasst werden. Es sind verschiedene, etwa mechanisch oder elektrisch funktionierende Wegsensoren bekannt, unter denen ein Fachmann wählen kann.
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Auch sind verschiedene Drucksensoren bekannt, die für das vorliegende Batteriesystem 1 verwendbar sind und mit denen eine relevante Druckänderung im Inneren des Gehäuses 2 ermittelt werden kann und durch die auf ein Öffnen von (einer) Zell-Venting-Einrichtung(en) 4 oder eine Undichtigkeit bei Batterie-Einzelzelle(n) 3 geschlossen werden kann.
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Die verschiedenen Sensoreinrichtungen können allein oder in jeder beliebigen Kombination und Anzahl bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 1 vorgesehen sein.
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Neben der/den oben beschriebenen Sensoreinrichtung(en) kann die Sensorvorrichtung 5 weiter auch einen Kontrolldraht (Kontrollfaden) 9 aufweisen, mit dem ein Öffnen der Zell-Venting-Einrichtung 4 von wenigstens einer Batterie-Einzelzelle 3 derart erfasst werden kann, dass sich der Kontrolldraht (Kontrollfaden) 9 über die Zell-Venting-Einrichtung 4 erstreckt und dieser bei einem Öffnen der Zell-Venting-Einrichtung 4 mechanisch durchtrennt wird. Durch das mechanische Durchtrennen des Kontrolldrahts 9 wird ein Stromfluss durch den Kontrolldraht 9 unterbrochen, was zur Erzeugung eines Signals durch die Sensorvorrichtung 5 verwendet werden kann.
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Daneben kann bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 1 die Sensorvorrichtung 5 selbstverständlich auch dazu eingerichtet sein, weitere Messwerte/Zustände/Vorgänge zu erfassen, die typischerweise zu einer Beschädigung von Batterie-Einzelzellen 3 führen bzw. damit in Verbindung gebracht werden. Als bevorzugtes Beispiel sei hierfür die Erfassung einer Beschleunigung (von Beschleunigungswerten) des Batteriesystems 1 erwähnt.
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Das Batteriesystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung weist in vorteilhafter Weise eine Auswertungseinrichtung 10 auf und ist die Sensorvorrichtung 5 in vorteilhafter Weise dazu eingerichtet, das/die erzeugte(n) Signal(e) an die Auswertungseinrichtung 10 zu übertragen. Bei der Auswertungseinrichtung 10 kann es sich um ein separates Bauteil/separate Baugruppe handeln oder die Auswertungseinrichtung 10 kann Bestandteil eines Steuergeräts (etwa eines Batteriemanagementsystems) des Batteriesystems 1 sein. Das Auswerten des/der Signale durch die Auswertungseinrichtung 10 kann bspw. mittels eines darauf ablauffähig installierten Computer-Programms erfolgen. Zum Übertragen des/der erzeugten Signals/Signale von der Sensorvorrichtung 5 zu der Auswertungseinrichtung 10 sind diese beiden Einrichtungen vorteilhafter Weise mittels einer Sensorleitung 12 verbunden, jedoch ist auch eine drahtlose Übertragung von der Sensorvorrichtung 5 zu der Auswertungseinrichtung 10 möglich.
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Die Auswertungseinrichtung 10 ist in vorteilhafter Weise dazu eingerichtet, das/die an sie übertragene(n) Signal(e) mit (einem) vorgegebenen Grenzwert(en) und/oder (einem) erfassten Referenzwert(en) zu vergleichen und bei Vorliegen einer Überschreitung des/der vorgegebenen Grenzwerts/Grenzwerte und/oder einer Abweichung von dem/den Referenzwert(en) einen Fehlerfall zu signalisieren. Bspw. kann die Nutzung einer Referenztemperatur von Vorteil sein, um eine unrichtige Feststellung eines Fehlerfalls bei einer betriebsbedingten Temperaturänderung zu vermeiden.
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Wenn die die Auswertungseinrichtung 10 in vorteilhafter Weise dazu eingerichtet ist, das/die an sie übertragene(n) Signal(e) in einer hierfür vorgesehenen Speichereinrichtung zumindest temporär zu speichern, können die gespeicherten Werte etwa dazu verwendet werden, einen Verlauf der erfassten Werte (eine Historie) auszugeben/anzuzeigen, wodurch auch nachträglich festgestellt werden kann, ob und optional auch wann ein Ereignis (Fehlerfall) eingetreten war.
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Das Batteriesystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst in vorteilhafter Weise eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batterie-Einzelzellen 3.
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Unter dem Begriff „Batterie” ist gemäß der vorliegenden Anmeldung eine Vorrichtung zu verstehen, die einen oder mehrere elektrochemische(n) Energiespeicher/Energiewandler (Batterie-Einzelzellen 3) aufweist, wobei der/die Energiespeicher/Energiewandler als Primär- oder Sekundarzelle(n) ausgebildet sein kann/können. Sind mehrere elektrochemische Energiespeicher/Energiewandler vorhanden, sind diese in der Regel zusammengeschaltet. Ein vorteilhaftes Beispiel eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 umfasst eine Hochvolt-Batterie mit einer Mehrzahl an Batterie-Einzelzellen 3, insbesondere Lithium-Ionen-Einzelzellen 3 oder Lithium-Ionen-Polymer-Einzelzellen 3.
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Weist das Batteriesystem 1 eine Auswertungseinrichtung 10 auf, ist dieses in vorteilhafter Weise dazu eingerichtet, in einem Fehlerfall eine Unterbrechung einer elektrischen Verbindung der Hochvolt-Batterie von einem Hochvolt-Stromkreis zu bewirken. Die Unterbrechung einer solchen Verbindung kann bspw. durch das Ausgeben eines entsprechenden Steuersignals an Schalt-Schütze des Hochvolt-Stromkreises bewirkt werden.
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Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass zur Erhöhung der Batteriesicherheit erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, eine Batterie mit einer Sensorik auszustatten, die auf den Zustand der Zell-Venting-Einrichtungen 4 der Batterie-Einzelzellen 3 schließen lässt. Dazu werden im Innenraum des Gehäuses 2 Sensoreinrichtungen installiert, die auf typische Veränderungen der Umgebungsbedingungen beim Öffnen/Venting einer Batteriezelle 3 reagieren.
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Insbesondere betreffen diese Veränderungen Druck-Änderungen, Partikel-Bildung, Änderungen der Gaszusammensetzung, thermische Änderungen, aber auch Zerfalls- und Korrosionserscheinungen, wie sie beim Kontakt von Bauteilen mit Elektrolyt 7 auftreten.
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So kann bspw. bei einer relevanten Druckänderung im Inneren des Gehäuses 2 auf ein Öffnen einer Zell-Venting-Einrichtung 4 geschlossen werden, mittels eines optischen Sensors eine Trübung/Verschmutzung 6 des Innenraums des Gehäuses 2 durch Ventinggas angezeigt werden, mittels eines Infrarotsensors eine hohe Temperatur/Flammenbildung angezeigt werden, mittels Analyse-Sensoren für chemische Substanzen auf ein Auswerfen dieser geschlossen wird (bspw. CO, Elektrolyt, H2, Kohlenstaub, Elektrolyt, Partikel), mittels eines Wegsensors (mechanisch, elektrisch, etc.) das Öffnen einer Zell-Venting-Einrichtung 4 (bspw. einer Venting-Membran) erfasst werden, und/oder es kann aufgrund einer chemischen Zersetzung/Veränderung von Materialien, die optional eine elektrische Signalleitung aufweisen können, ein bspw. elektrisches Signal erzeugt werden.
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Mit den genannten Einrichtungen lassen sich auch Undichtigkeiten von Batterie-Einzelzellen 3 detektieren, die z. B. durch Beschädigung von deren Gehäusen im Crashfall etc. entstanden sind.
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Die Position der Sensoreinrichtung(en) im Inneren des Gehäuses 2 des Batteriesystems 1 wird ein Fachmann entsprechend den gegebenen Anforderungen an die jeweilige Sensoreinrichtung und das Batteriesystem 1 wählen.
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Die durch die jeweilige Sensoreinrichtung erfassten Messwerte werden in vorteilhafter Weise durch die Auswertungseinrichtung 10 verarbeitet, wobei die Messwerte mit Grenzwerten/Referenzwerten in Beziehung gesetzt werden können, um Fehlerfälle sicher zu erkennen. So kann bspw. die Nutzung einer Referenztemperatur sinnvoll sein, um Fehlmessungen bei betriebsbedingten Temperaturänderungen zu vermeiden.
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Der Einsatz von optischen Fasern/Leitmedien erlaubt in vorteilhafter Weise eine elektrisch spannungsfreie Überwachung des Batteriesystems, d. h. eine Gefährdung bspw. durch Entstehen von elektrischen Kurzschlüssen mittels dem/den Kontrolldraht/Kontrolldrähten 9 ist ausgeschlossen.
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Durch die vorliegende Erfindung ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:
- – indirekte Beschreibung des Zustands einer Batterie durch Parameter-Analyse und Bewertung;
- – Einsatz der Sensoreinrichtung(en) ohne direkten Bezug zu den Strom- und Spannungs-führenden Teilen im HV-Stromkreis, d. h. unabhängige Überwachung von nicht-elektrischen Parametern im Innenraum des Batteriegehäuses 2;
- – Indirekte Erkennung einer Schädigung von Batterie-Einzelzellen 3 durch Detektierung von Druck und/oder Temperatur und/oder Gasaustritt im Innenraum des Batteriegehäuses 2;
- – Überwachung der Dichtigkeit von Batterie-Einzelzellen 3 durch Detektierung auf Austritt von Elektrolyt 7;
- – Einsatz von Kontrollelementen an oder in Nähe der Venting-Öffnung einer Batterie-Einzelzelle 3 zur Überwachung derselben;
- – Anzeige der Historie, d. h. Speichern, ob ein Ereignis eingetreten war.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch Verfahren zum Beschreiben/Feststellen des Zustands des Batteriesystems 1 sowie Verfahren zur Unterbrechung eines HV-Stromkreises im Falle einer Störung bei dem Batteriesystem 1, die sich für einen Fachmann aus der Beschreibung des erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 sowie seiner vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen ohne Weiteres ergeben.
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Die für das erfindungsgemäße Batteriesystem 1 sowie das/die dabei vorgesehene(n) Batteriegehäuse 2, Sensorvorrichtung 5, Sensoreinrichtung(en), Auswertungseinrichtung 10, Batterie-Einzelzelle(n) 3, etc., erforderlichen und geeigneten Bauteile, Baugruppen, Elemente, Systeme, Hard- und Software, etc. und deren mögliches Zusammenwirken sind einem Fachmann bekannt, so dass in der vorliegenden Anmeldung hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2
- Gehäuse
- 3
- Batterie-Einzelzelle
- 4
- Zell-Venting-Einrichtung
- 5
- Sensorvorrichtung
- 6
- Trübung
- 7
- Elektrolyt
- 8
- Elektrolytsensoreinrichtung
- 9
- Kontrolldraht
- 10
- Auswertungseinrichtung
- 11
- Gehäuse-Venting-Einrichtung
- 12
- Sensorleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012213726 A1 [0006]
- DE 102011076993 A1 [0008]
