DE102014015188A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Überwachung eines Trocknungselements (1) in einer elektrischen Batterie, mittels welcher eine Materialfeuchte des Trocknungselements (1) ermittelbar ist,
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
– innerhalb des Trocknungselements (1) ein als Plattenkondensator ausgebildeter Kondensator (2.1) mit zumindest zwei Elektroden (2.1.1) angeordnet ist,
– wobei ein zwischen den Elektroden (2.1.1) angeordnetes Dielektrikum durch zumindest einen Abschnitt eines Feuchte absorbierenden Materials (1.3) des Trocknungselements (1) gebildet ist,
– wobei anhand einer ermittelten Kapazität des Kondensators (2.1) eine Materialfeuchte des Trocknungselements (1) bestimmbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Überwachung eines Trocknungselements (1) in einer Batterie.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
  • Aus der DE 10 2008 034 698 A1 ist eine Batterie mit einem Batteriegehäuse bekannt, die ein Feuchtigkeit sorbierendes Element umfasst. Das Feuchtigkeit sorbierende Element ist mittels einer lösbaren kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung in ein Inneres des Batteriegehäuses ragend an diesem befestigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie sowie ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie anzugeben.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und hinsichtlich des Verfahrens mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Mittels einer Vorrichtung zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie ist eine Materialfeuchte des Trocknungselements ermittelbar. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Trocknungselements ein als Plattenkondensator ausgebildeter Kondensator mit zumindest zwei Elektroden angeordnet, wobei ein zwischen den Elektroden angeordnetes Dielektrikum durch zumindest einen Abschnitt eines Feuchte absorbierenden Materials des Trocknungselements gebildet ist, und wobei anhand einer ermittelten Kapazität des Kondensators eine Materialfeuchte des Trocknungselements bestimmbar ist.
  • Die Kapazität des Kondensators ändert sich bekanntermaßen in Abhängigkeit von bestimmten Umgebungsbedingungen, insbesondere durch einen Feuchtegehalt der Umgebung, da Wasser eine sehr große Dielektrizitätszahl aufweist. Die Änderung der Kapazität ergibt somit ein Maß für den Feuchtegehalt des Trocknungselements, wobei die Kapazität elektronisch erfasst und damit auch elektronisch ausgewertet werden kann. Die Anordnung des Kondensators innerhalb des Trocknungselements ermöglicht zudem eine kontinuierliche Überwachung des Trocknungselements bezüglich dessen Materialfeuchte. Die Vorrichtung kann somit als Sicherheitsvorrichtung dienen, die einen kritischen Feuchtegehalt des Trocknungselements rechtzeitig erfasst, so dass dieses ausgetauscht oder regeneriert werden kann, bevor die Batterie oder bestimmte Komponenten innerhalb der Batterie durch einen zu hohen Feuchtegehalt beschädigt werden. Darüber hinaus können mittels der Vorrichtung auch Beschädigungen anderer Komponenten innerhalb der Batterie erfasst werden. Beispielsweise erhöht sich ein Feuchtegehalt des Trocknungselements in sehr kurzer Zeit, wenn Elektrolytflüssigkeit aus einer Einzelzelle der Batterie austritt. Dadurch, dass das Trocknungselement einen Teil der Vorrichtung bildet, ist diese kostengünstig und einfach in der Montage realisierbar.
  • Die Elektroden des Kondensators sind jeweils als eine Metallplatte ausgebildet, zwischen denen zumindest einen Abschnitt des Feuchte absorbierendes Materials angeordnet ist. Die Metallplatten sind beispielsweise aus Kupfer gebildet und können mittels Befestigungselementen auf einfache Art und Weise in das Trocknungselement integriert werden.
  • Bevorzugt ist dabei das Trocknungselement als Trockenpatrone ausgebildet, wobei das Feuchte absorbierende Material in einer perforierten Patronenhülse angeordnet wird. Eine Trockenpatrone stellt somit ein einfach handhabbares und wirkungsvolles Trocknungselement dar, welches auf einfache Art und Weise in die erfindungsgemäße Vorrichtung integrierbar ist.
  • Das Feuchte absorbierende Material ist vorzugsweise aus einem Feststoff gebildet, wobei dieser z. B. Zeolith, Kieselgel, Phosphorpentoxid, Bariumoxid und/oder Kalziumoxid umfasst. Diese chemischen Verbindungen stellen hochwirksame Trocknungsmittel dar und sind aufgrund ihrer elektrisch isolierenden Leitfähigkeit als Dielektrikum geeignet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die außerhalb des Trocknungselements angeordnet ist, wobei die Auswerteeinheit und der Kondensator elektrisch miteinander gekoppelt sind. Die Auswerteeinheit dient der Ermittlung der Kapazität des Kondensators, so dass mittels der Auswerteeinheit die Materialfeuchte des Trocknungselements ermittelbar ist.
  • Vorzugsweise ist der Kondensator zur Erfassung der Kapazität über eine Messschaltung mit der Auswerteeinheit elektronisch gekoppelt. Beispielsweise wird der Kondensator mit einem Widerstand und einer Spannungsquelle zu einem sogenannten RC-Glied zusammengeschaltet und eine Ausgangsspannung am Kondensator erfasst, welche von der Kapazität des Kondensators und somit von der Materialfeuchte des Trocknungselements abhängig ist. Die Messschaltung ist somit einfach und kostengünstig in einer Batterieelektronik integrierbar.
  • Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zur Überwachung eines Trocknungselements in einer Batterie vor, bei welchem eine Materialfeuchte des Trocknungselements ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird eine Kapazität eines innerhalb des Trocknungselements angeordneten Kondensators, dessen Dielektrikum durch zumindest einen Abschnitt eines Feuchte absorbierenden Materials des Trocknungselements gebildet ist, ermittelt, wobei anhand der Kapazität die Materialfeuchte des Trocknungselements bestimmt wird.
  • Das Verfahren ermöglicht eine zuverlässige Ermittlung der Materialfeuchte des Trocknungselements mittels eines einfachen Messprinzips, wobei eine Sicherheit der Batterie gegenüber dem Stand der Technik erhöht wird, da die Ermittlung der Kapazität eine elektronische Auswertung ermöglicht, so dass rechtzeitig Maßnahmen zur Regeneration oder zum Austausch des Trocknungselements einleitbar sind.
  • Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinheit mit einer Ausgabeeinheit gekoppelt, welche in einem Bereich außerhalb der Batterie eine Materialfeuchte des Trocknungselements ausgibt. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit mit einem Kombiinstrument eines Fahrzeugs gekoppelt, so dass ein Fahrer des Fahrzeugs rechtzeitig informiert wird, wenn eine Regeneration oder ein Austausch des Feuchte absorbierenden Materials des Trocknungselements erforderlich ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Trocknungselements,
  • 2 schematisch eine Schnittdarstellung des Trocknungselements mit einem Kondensator,
  • 3 schematisch eine weitere Schnittdarstellung des Trocknungselements mit einem Kondensator und
  • 4 schematisch ein Schaltbild einer erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung des Trocknungselements.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein Trocknungselement 1 in einer Schnittdarstellung, welches als eine Trockenpatrone ausgebildet ist.
  • Ein derartiges Trocknungselement 1 wird beispielsweise im Inneren eines Batteriegehäuses einer nicht dargestellten Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs angeordnet, um diese vor Korrosion und Feuchtigkeit zu schützen.
  • Das gezeigte Trocknungselement 1 ist als eine Trockenpatrone ausgebildet und umfasst ein Verschlusselement 1.1 und eine Patronenhülse 1.2. Das Verschlusselement 1.1 dient der Fixierung des Trocknungselements 1 innerhalb des Batteriegehäuses und weist beispielsweise ein nicht näher dargestelltes Gewinde für eine kraft- und formschlüssige Verbindung des Trocknungselements 1 mit dem Batteriegehäuse oder eine innerhalb des Batteriegehäuses angeordnete Batteriekomponente auf.
  • Die Patronenhülse 1.2 ist perforiert ausgebildet und beinhaltet ein Feuchte absorbierendes Material 1.3 zur Absorption und/oder Adsorption von Wasser. Das Feuchte absorbierende Material 1.3 ist aus einem Feststoff gebildet, der beispielsweise Zeolith, Kieselgel, Phosphorpentoxid, Bariumoxid und/oder Kalziumoxid umfasst.
  • Aufgrund der Perforation der Patronenhülse 1.2 ist das Feuchte absorbierende Material 1.3 mit einer im Inneren des Batteriegehäuses vorhandenen Luft durchströmbar, so dass eine in dieser gebundene Feuchte absorbierbar ist. Das Feuchte absorbierende Material 1.3 weist allerdings nur eine begrenzte Aufnahmefähigkeit für Wasser auf, z. B. bei Kieselgel bis zu 2/3 seines Eigengewichtes, so dass nach einer bestimmten Zeitdauer es nicht mehr möglich ist, weitere Feuchte aus der Luft zu binden. D. h., das Feuchte absorbierende Material 1.3 ist mit Feuchte gesättigt. Ist dies der Fall, ist ein Austausch und/oder eine Regeneration des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 des Trocknungselements 1 erforderlich. Zur Regeneration des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 kann z. B. das Trocknungselement 1 ausgebaut und erhitzt werden, so dass dieses getrocknet wird und seine ursprüngliche Aufnahmefähigkeit für Wasser wiedererlangt.
  • Die Regeneration oder der Austausch des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 kann beispielsweise in festgelegten Zeitintervallen, z. B. im Rahmen eines Kundendienstes oder einer Wartung des Fahrzeugs, in dem die Batterie angeordnet ist, erfolgen. Allerdings kann unter bestimmten Bedingungen das Feuchte absorbierende Material 1.3 auch innerhalb kurzer Zeit mit Feuchte gesättigt sein, beispielsweise beim Austritt von Elektrolytflüssigkeit aus einer Batterieeinzelzelle.
  • Um frühzeitig Maßnahmen auch außerhalb vorgegebener Zeitintervalle zur Regeneration oder zum Austausch des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 einleiten zu können, schlägt die Erfindung eine Vorrichtung 2 zur Überwachung des Trocknungselements 1 vor, wie sie in den nachfolgenden 2 bis 4 dargestellt und beschrieben ist.
  • Die 2 und 3 zeigen jeweils ein Trocknungselement 1, wie es in 1 dargestellt und beschrieben ist, mit einem Kondensator 2.1. 2 zeigt dabei das Feuchte absorbierende Material 1.3 vor der Inbetriebnahme und 3 in einem gesättigten Zustand.
  • Der Kondensator 2.1 ist innerhalb der Patronenhülse 1.2 angeordnet und umfasst zwei Elektroden 2.1.1, zwischen denen ein Abschnitt des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 angeordnet ist.
  • Die Elektroden 2.1.1 sind mit einem vorgegebenen Abstand in Richtung einer Längsausdehnung der Patronenhülse 1.2 zueinander angeordnet und aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. Metall, gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kondensator 2.1 als Plattenkondensator ausgeführt, wobei die Elektroden 2.1.1 als Metallplatten ausgebildet sind. Das zwischen den Elektroden 2.1.1 befindliche Dielektrikum wird durch einen Abschnitt des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 gebildet, welches elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist und somit als Dielektrikum geeignet ist. Die Vorrichtung 2 umfasst somit einen Teil des Trocknungselements 1.
  • Die Ausrichtung der Elektroden 2.1.1 sowie deren Abstand zueinander sind nicht zwingend durch die gezeigte Darstellung in den 2 und 3 festgelegt, sondern vielmehr variierbar, solange das Prinzip des Kondensators 2.1 mit zwei Elektroden 2.1.1 und einem dazwischen angeordneten Dielektrikum erfüllt bleibt. So können die Elektroden 2.1.1 beispielsweise auch mit einem vorgegebenen Abstand senkrecht zur Längsausdehnung der Patronenhülse 1.2 zueinander angeordnet sein. Das Einbringen der Elektroden 2.1.1 in die Patronenhülse 1.2 kann gleichzeitig mit dem Einbringen des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 erfolgen oder zeitversetzt.
  • Zur Überwachung des Trocknungselements 1 bezüglich eines Feuchtegehalts des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 wird eine Kapazität des Kondensators 2.1 erfasst. Beim gezeigten Kondensator 2.1 ist die Kapazität abhängig aus einer Oberfläche der Elektroden 2.1.1, der Dielektrizitätszahl des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 und dem Kehrwert des Abstandes der Elektroden 2.1.1 zueinander. Da sich die Dielektrizitätszahl in Abhängigkeit eines Wasser- oder Feuchtegehalts des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 ändert, kann anhand der Kapazität des Kondensators 2.1 ein Feuchtegehalt des Trocknungselements 1 abgeleitet werden.
  • Zur Erfassung der Kapazität des Kondensators 2.1 wird eine einfach zu realisierende Messschaltung vorgeschlagen, wie sie in 4 dargestellt ist. Die gezeigte Messschaltung stellt dabei den Schaltkreis der Vorrichtung 2 dar.
  • Der Kondensator 2.1 wird in Reihe mit einem Widerstand 2.2 zu einem sogenannten RC-Glied zusammengeführt und an diesen eine Eingangsspannung Ue angelegt. Der Widerstand 2.2 begrenzt einen Strom des Kondensators 2.1, da der Strom sonst beim Anlegen der Eingangsspannung Ue sehr hoch, insbesondere theoretisch unendlich hoch wäre. Der Kondensator 2.1 liegt parallel zu einer Ausgangsspannung Ua, welche von einer Auswerteeinheit 2.3 erfasst und entsprechend ausgewertet wird. Das RC-Glied ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel somit als ein sogenannter Tiefpass ausgebildet, welcher eine einfache und allgemein bekannte Schaltung darstellt, die mit einem geringen Aufwand in eine in dem Batteriegehäuse bereits vorhandene Elektronik integrierbar ist.
  • Die Ausgangsspannung Ua ist abhängig von der Kapazität des Kondensators 2.1, so dass anhand der erfassten Ausgangsspannung Ua eine Kapazität des Kondensators 2.1 abgeleitet werden kann. Anhand der derart ermittelten Kapazität des Kondensators 2.1 wird ein Feuchtegehalt des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 ermittelt. Dazu können entsprechende Referenzwerte vorgegeben und in der Auswerteeinheit 2.3 gespeichert werden, so dass diese automatisch den Feuchtegehalt des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 ermittelt. Die Erfassung der Ausgangsspannung Ua und/oder auch das Anlegen der Eingangsspannung Ue erfolgt bevorzugt kontinuierlich oder alternativ in festgelegten Zeitabständen.
  • Alternativ zum RC-Glied kann der Kondensator 2.1 auch mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis elektrisch geschaltet sein. Die Kapazität kann hierbei anhand einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt werden.
  • In einem nicht gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 2.3 mit einer Ausgabeeinheit des Fahrzeugs verbunden, welche den Feuchtegehalt des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 kontinuierlich, nach Abfrage oder bei Überschreiten eines kritischen Feuchtegehalts ausgibt. Die Ausgabeeinheit ist beispielsweise ein Kombiinstrument in dem Fahrzeug, welches die Information über den Feuchtegehalt des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 optisch, akustisch und/oder haptisch ausgibt. Ein Fahrer und/oder Fahrzeuginsasse des Fahrzeugs erhält somit die Möglichkeit, rechtzeitig einen Austausch und/oder eine Regeneration des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 einzuleiten und somit die Batterie vor Beschädigungen zu schützen. Die Vorrichtung 2 eignet sich zudem auch als Indikator für Beschädigungen von Batteriekomponenten. Z. B. kann ein sehr stark ansteigender Feuchtegehalt des Feuchte absorbierenden Materials 1.3 innerhalb kurzer Zeit Rückschlüsse auf austretende Flüssigkeit, z. B. Elektrolytflüssigkeit aus einer Batterieeinzelzelle, innerhalb des Batteriegehäuses geben.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008034698 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Vorrichtung (2) zur Überwachung eines Trocknungselements (1) in einer elektrischen Batterie, mittels welcher eine Materialfeuchte des Trocknungselements (1) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – innerhalb des Trocknungselements (1) ein als Plattenkondensator ausgebildeter Kondensator (2.1) mit zumindest zwei Elektroden (2.1.1) angeordnet ist, – wobei ein zwischen den Elektroden (2.1.1) angeordnetes Dielektrikum durch zumindest einen Abschnitt eines Feuchte absorbierenden Materials (1.3) des Trocknungselements (1) gebildet ist, – wobei anhand einer ermittelten Kapazität des Kondensators (2.1) eine Materialfeuchte des Trocknungselements (1) bestimmbar ist.
  2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2.1.1) jeweils als eine Metallplatte ausgebildet sind.
  3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungselement (1) als Trockenpatrone ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuchte absorbierende Material (1.3) aus einem Feststoff gebildet ist, welches Zeolith, Kieselgel, Phosphorpentoxid, Bariumoxid und/oder Kalziumoxid umfasst.
  5. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (2.3), welche außerhalb des Trocknungselements (1) angeordnet ist, wobei die Auswerteeinheit (2.3) und der Kondensator (2.1) elektrisch miteinander gekoppelt sind.
  6. Vorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (2.1) mit der Auswerteeinheit (2.3) über eine Messschaltung elektrisch gekoppelt ist, wobei die Messschaltung ein RC-Glied umfasst.
  7. Verfahren zur Überwachung eines Trocknungselements (1) in einer Batterie, bei welchem eine Materialfeuchte des Trocknungselements (1) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität eines innerhalb des Trocknungselements (1) angeordneten Kondensators (2.1), dessen Dielektrikum durch zumindest einen Abschnitt eines Feuchte absorbierenden Materials (1.3) des Trocknungselements (1) gebildet ist, ermittelt wird, wobei anhand der Kapazität die Materialfeuchte des Trocknungselements (1) bestimmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialfeuchte des Trocknungselements (1) durch eine Ausgabeeinheit an einen Fahrer oder Fahrzeughalter ausgegeben wird.
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