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Die Erfindung betrifft eine Batterie für ein Kraftfahrzeug oder einen stationären Speicher. Die Batterie umfasst zumindest eine Batteriezelle und ein Gehäuse, in welchem die zumindest eine Batteriezelle angeordnet ist. In dem Gehäuse ist ferner eine Erfassungseinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, ein Fluid in einem Innenraum des Gehäuses zu erfassen und bei einer Erfassung des Fluids ein Erfassungssignal an eine Signaleinrichtung zu übermitteln. Die Signaleinrichtung ist dazu ausgebildet, beim Empfangen des Erfassungssignals ein Warnsignal auszugeben.
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Bei Batterien, beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batterien, ist ein interner Kurzschluss technisch niemals zu 100 Prozent auszuschließen. Ein interner Kurzschluss tritt beispielsweise auf, wenn die elektrochemisch aktiven Materialien der Batterie in Anode und Kathode in elektrischen Kontakt geraten und so direkt miteinander reagieren können. Durch den internen Kurzschluss wird die Batterie thermisch extrem stark belastet. Ein interner Kurzschluss führt oft zu einem sogenannten „thermischen Durchgehen” (englisch thermal runaway). Das thermische Durchgehen bezeichnet eine Überhitzung einer technischen Apparatur, in diesem Fall der Batterie, aufgrund eines sich selbst verstärkenden, Wärme produzierenden Prozesses. Das thermische Durchgehen bewirkt in der Regel eine Zerstörung der Batterie durch Überdruck und führt in dessen Folge zu einem Brand oder einer Explosion.
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Wird die Batterie dadurch beschädigt, kann es zu einem Ausgasen der Batterie kommen. Bei dem Ausgasen, dem sogenannte Venting, treten giftige Substanzen aus der Batterie. Bei den giftigen Substanzen kann es sich beispielsweise um Rauchgas handeln. Wird die Batterie beispielsweise in Wohnungen oder Häusern als stationärer Energiespeicher oder als Heimspeicher eingesetzt, kann das unbemerkte Ausgasen der Batterie lebensgefährlich werden. So kann das Ausgasen durch Menschen nicht bemerkt werden, beispielsweise wenn sie schlafen. Dadurch können sie sich nicht in Sicherheit bringen.
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Die Rauchgase können sich zudem in Bodennähe sammeln. Da sich die üblich installierten Rauchmelder in Wohnungen oder Häusern meist an der Decke eines Raumes befinden, können diese Rauchgase in Bodennähe gar nicht detektieren.
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Um solchen Situationen vorzubeugen, sind aus dem Stand der Technik Batterien bekannt, welche den Zustand der Batterie, beispielsweise die Temperatur oder den Druck, kontinuierlich erfassen und Alarm schlagen, wenn ein kritischer Zustand vorliegt, bevor die Batterie beschädigt wird.
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Aus der
US 2006/0076926 A1 ist beispielsweise eine Batterie mit einem integrierten Sensor bekannt. Der Sensor erfasst eine Temperatur und einen Druck der Batterie. Der Sensor ist dabei mit einer Warneinrichtung gekoppelt. Steigt die Temperatur oder der Druck über einen Referenzwert, wird ein Alarm durch den Sensor ausgelöst und durch die Warneinrichtung ausgegeben. Nachteilig daran ist, dass durch den Sensor nur der Batteriezustand erfasst wird. Externe Einflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit, welche die Batterie beschädigen könnten, können durch den Sensor nicht erfasst werden.
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Damit sich im Falle eines Brandes der Batterie der Brand nicht weiter ausbreitet oder Menschenleben gefährdet, schlägt die
DE 10 2012 214 262 A1 ein Löschsystem für Batterien vor. Das Löschsystem weist eine Batterie mit einem Gehäuse auf. Ferner weist das Löschsystem einen Löschbehälter mit einem Löschmedium auf. Der Löschbehälter ist direkt an der Batterie angeordnet. Das Löschsystem wird aktiviert, wenn ein Rauchmelder einen Brand erfasst. Das Löschsystem ist dann dazu ausgebildet, einen Brand der Batterie automatisch durch Entleeren des Löschbehälters zu löschen. Nachteilig an dem Löschsystem ist, dass der Rauchmelder am Gehäuse angeordnet ist. Treten giftige Substanzen aus der Batterie aus, welche aber nicht bis zum Rauchmelder aufsteigen, sondern sich in Bodennähe verteilen, können durch den Rauchmelder nicht erfasst werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie bereitzustellen, bei welcher ein verbessertes Warnsystem realisiert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Batterie für ein Kraftfahrzeug oder einen stationären Speicher umfasst zumindest eine Batteriezelle und ein Gehäuse, in welchem die zumindest eine Batteriezelle angeordnet ist. Die Batterie ist insbesondere als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet. In dem Gehäuse ist ferner eine Erfassungseinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, ein Fluid in einem Innenraum des Gehäuses zu erfassen und bei einer Erfassung des Fluids ein Erfassungssignal an eine Signaleinrichtung zu übermitteln. Die Signaleinrichtung ist dazu ausgebildet ist, beim Empfangen des Erfassungssignals ein Warnsignal auszugeben. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Erfassungseinrichtung an einer Bodenfläche in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet ist. Durch die Anordnung der Erfassungseinrichtung an einer Bodenfläche, kann die Erfassungseinrichtung insbesondere einen Wassereintritt in das Gehäuse bei Flutung oder austretende Fluide aus den Batteriezellen in den Innenraum des Gehäuses erfassen.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Erfassungseinrichtung ein Warnsignal ausgibt, sobald die Batterie gefährdet ist. Somit besteht die Möglichkeit zu reagieren, bevor ein kritischer Zustand erreicht wird. Des Weiteren ist die Erfassungseinrichtung am Boden des Gehäuses besonders effektiv, da im Falle auftretender Gase oder austretender Flüssigkeiten aus den Batteriezellen oder eindringenden Flüssigkeiten in das Gehäuse der Batterie, welche sich nur in Bodennähe verteilen, besonders schnell detektiert werden können.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, als das Fluid ein Rauchgas zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, als Fluid ein Ventinggas zu erfassen. Mit anderen Worten ist die Erfassungseinrichtung als Gassensor und/oder Gasdetektor ausgebildet. Beispielsweise kann der Gasdetektor als ein Halbleiter-Gasdetektor und/oder als ein photoelektrischer Rauchdetektor ausgebildet sein. Bei dem Gas kann es sich beispielsweise um Kohlenstoffdioxid und/oder um Wasserstoff und/oder um Kohlenstoffmonoxid und/oder um Methan oder Lösungsmitteldämpfe der Elektrolyten handeln. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Erfassungseinrichtung mit einem besonders einfachen Aufbau und besonders kostengünstig bereitgestellt werden kann.
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In vorteilhafter Weise ist die Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, als das Fluid eine Flüssigkeit zu erfassen. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um Wasser handeln. Das Fluid, insbesondere Wasser, kann von außen beispielsweise bei Flutung in das Gehäuse gelangen. Mit anderen Worten kann die Erfassungseinrichtung als Flüssigkeitssenor oder als Feuchtigkeitssensor ausgebildet sein.
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Bei einem Ausgasen der zumindest einen Batteriezelle kann sich ein Kondensat, also eine Flüssigkeit, aus dem heißen Rauchgas beispielsweise an Wandungen des Gehäuses im Innenraum des Gehäuses und/oder an dem Feuchtigkeitssensor absetzten. Der Feuchtigkeitssensor misst bevorzugt einen Kriechstrom, der abhängig von einer Menge des leitfähigen Kondensats ist. Die Batterie kann aber auch durch externe Einflüsse gefährdet werden. Feuchtigkeit kann beispielsweise bei einer Beschädigung des Gehäuses oder durch eine Öffnung des Gehäuses von außen, d. h. von einer Umgebung des Gehäuses, in den Innenraum des Gehäuses gelangen. Bei einem externen Einfluss kann es sich beispielsweise um einen Wassereintritt durch Überflutung handeln. Auch ein solcher Wassereintritt kann durch den Feuchtigkeitssensor erfasst werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Batterie eine Steuereinrichtung umfasst. Die Steuereinrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, beim Erfassen eines Fluids von der Erfassungseinrichtung ein weiteres Erfassungssignal durch die Erfassungseinrichtung zu empfangen. Des Weiteren ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, bei einer Erfassung des Erfassungssignals eine elektrische Verbindung zwischen der zumindest einen Batteriezelle und einem Verbraucher zu trennen. Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung beim Empfangen des weiteren Erfassungssignals die zumindest eine Batteriezelle deaktivieren, indem eine elektrische Verbindung zwischen der zumindest einen Batteriezelle und einem Verbraucher getrennt wird oder ausgeschalten wird, beispielsweise mittels Transistoren-Schaltelemente. Hierdurch kann die Sicherheit zusätzlich erhöht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Erfassungseinrichtung zusätzlich einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur in dem Innenraum des Gehäuses umfasst. Durch den Temperatursensor kann die Temperatur im Innenraum des Gehäuses bevorzugt kontinuierlich überwacht werden. Durch den Temperatursensor kann eine Erwärmung der zumindest einen Batteriezelle, beispielsweise hervorgerufen durch austretende Fluide aus der zumindest einen Batteriezelle, erfasst werden und somit die Sensibilität des Warnsystems weiter erhöht werden.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, dass die Signaleinrichtung als Sirene und/oder Lautsprecher ausgebildet ist. Ist die Signaleinrichtung bevorzugt als Sirene und/oder als Lautsprecher ausgebildet, so kann als Warnsignal ein akustisches Signal ausgegeben werden. Durch das akustische Warnsignal wird besonders effizient auf eine Gefahrensituation hingewiesen, da man sich dazu nicht in einer direkten Umgebung der Batterie befinden muss. Des Weiteren kann die Signaleinrichtung bevorzugt eine Leuchte umfassen, welche dazu ausgebildet ist, als Warnsignal ein optisches Signal auszugeben. Als optisches Signal kann die Leuchte beispielsweise aufleuchten oder blinken. Die Leuchte ist bevorzugt an einer Wandung des Gehäuses außen am Gehäuse, d. h. einer Außenseite des Gehäuses, angeordnet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das akustische Signal durch das optische Signal verstärkt wird. Besonders im Falle einer Gasausbreitung innerhalb von Gebäuden mit gegebenenfalls schlafenden Personen, eignet sich ein akustisches Warnsignal, um gefährdete schlafende Personen zu warnen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Erfassungseinrichtung und/oder die Signaleinrichtung durch die zumindest eine Batteriezelle elektrisch versorgt ist. Mit anderen Worten erhält die Erfassungseinrichtung und/oder die Signaleinrichtung ihre Stromversorgung durch die zumindest eine Batteriezelle. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass keine zusätzliche Versorgungsquelle für die Erfassungseinrichtung und/oder die Signaleinrichtung notwendig ist. Auch wenn die Batteriezelle beschädigt ist, liegt weiterhin eine Spannung an der Batteriezelle an. Somit ist die Versorgung der Erfassungseinrichtung und/oder der Signaleinrichtung gesichert.
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Bevorzugt umfasst die Batterie eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen der Erfassungseinrichtung und/oder der Signaleinrichtung. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung und/oder die Signaleinrichtung durch einen Superkondensator versorgt werden. Dadurch ist die Versorgung der Erfassungseinrichtung und/oder der Signaleinrichtung unabhängig von der Funktionsfähigkeit der Batteriezellen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterie. Wie die Figur zeigt, umfasst die Batterie 10 ein Gehäuse 12. In dem Gehäuse 12, d. h. in einem Innenraum 14 des Gehäuses 12, ist eine Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet. Die Mehrzahl von Batteriezellen ist zu einem Batteriemodul 16 zusammengefasst. Im Folgenden wird der Einfachheit halber auf eine Batteriezelle der Mehrzahl von Batteriezellen eingegangen. Die Batterie 10 kann als elektrischer Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug oder in einem stationären Speicher, insbesondere in einem Heimspeicher oder in einem Industriespeicher, verwendet werden.
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An einer Bodenfläche 20 in dem Innenraum 14 des Gehäuses 12 ist eine Erfassungseinrichtung 18 angeordnet. Die Erfassungseinrichtung 18 ist dazu ausgebildet, ein Fluid in dem Innenraum 14 des Gehäuses 12 zu erfassen. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um ein Gas, insbesondere um ein Rauchgas, und/oder um eine Flüssigkeit, insbesondere um Wasser und/oder eine leitfähige Verunreinigung, handeln.
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Die Batteriezelle des Batteriemoduls 16 kann beispielsweise durch einen internen Kurzschluss beschädigt werden. Dadurch kann es zu einem Ausgasen der Batteriezelle kommen. Bei einem Ausgasen treten Rauchgase, beispielsweise Kohlenstoffdioxid, aus der Batteriezelle aus. Um ein Rauchgas zu erfassen, kann die Erfassungseinrichtung 18 beispielsweise einen entsprechenden Gassensor umfassen. Da dieser im Gehäuse platziert ist, wird die Detektion unabhängiger von der Umgebung, die die Konzentration verdünnt oder ableitet.
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Beim Ausgasen kann sich ferner ein Kondensat, also eine Flüssigkeit, aus dem heißen Venting- oder Rauchgas an den kalten Wandungen des Gehäuses 12 im Innenraum 14 des Gehäuses 12 absetzten. Um die Flüssigkeit in dem Innenraum 14 des Gehäuses 12 zu erfassen, kann die Erfassungseinrichtung 18 ferner einen Feuchtigkeitssensor umfassen. Der Feuchtigkeitssensor misst bevorzugt einen Kriechstrom, der abhängig von der Menge des leitfähigen Kondensats ist.
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Die Batterie 10 kann aber auch durch externe Einflüsse gefährdet werden. Feuchtigkeit kann beispielsweise bei einer Beschädigung oder durch Öffnungen des Gehäuses 12 von außen, d. h. von einer Umgebung des Gehäuses 12, in den Innenraum 14 des Gehäuses 12 gelangen. Auch dies kann durch den Feuchtigkeitssensor erfasst werden.
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Erfasst die Erfassungseinrichtung 18 ein Fluid – eine Flüssigkeit und/oder ein Gas – in dem Innenraum 14 des Gehäuses 12, so übermittelt diese ein Erfassungssignal an eine Signaleinrichtung 22. Die Erfassungseinrichtung 18 ist dazu über eine Signalleitung 24 signaltechnisch mit der Signaleinrichtung 22 verbunden. Die Übermittlung des Erfassungssignals ist also leitungsgebunden. Die Signaleinrichtung 22 ist bevorzugt außen an einer Wandung des Gehäuses 12, d. h. einer Außenseite des Gehäuses 12, angeordnet. Die Signaleinrichtung 22 ist also nicht in dem Innenraum 14 des Gehäuses 12 angeordnet.
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Wird durch die Signaleinrichtung 22 ein Erfassungssignal empfangen, so wird daraufhin durch die Signaleinrichtung 22 ein Warnsignal ausgegeben. Die Signaleinrichtung 22 ist ferner dazu ausgebildet, als das Warnsignal ein akustisches Signal und/oder ein optisches Signal auszugeben. Um ein akustisches Signal ausgeben zu können, kann die Signaleinrichtung 22 beispielsweise eine Sirene umfassen. Um das akustische Signal zu verstärken, kann die Signaleinrichtung 22 ferner das optische Signal ausgeben. Hierzu kann die Signaleinrichtung 22 eine Leuchte umfassen, welche aufleuchtet oder blinkt, sobald durch die Signaleinrichtung 22 das Warnsignal empfangen wird.
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Um die Sicherheit des Warnsystems weiter zu erhöhen, kann die Batterie 10 ferner eine Steuereinrichtung (in der Figur nicht gezeigt) aufweisen. Die Erfassungseinrichtung 18 kann beim Erfassen des Fluids ein Erfassungssignal an die Signaleinrichtung 22 und ein weiteres Erfassungssignal an die Steuereinrichtung übermitteln. Beim Empfangen des weiteren Erfassungssignals kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, eine elektrische Verbindung zwischen der Batteriezelle und einem Verbraucher zu trennen oder die Batteriezelle, beispielsweise durch Transistor-Schaltelemente abschalten.
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Zur elektrischen Versorgung der Erfassungseinrichtung 18 und der Signaleinrichtung 22 können beide Einrichtungen 18, 22 durch die Batteriezelle elektrisch versorgt werden. Dazu ist, wie die Figur zeigt, die Signaleinrichtung 22 über eine Versorgungsleitung 26 mit dem Pluspol 28 und dem Minuspol 30 der Batteriezelle verbunden. Damit auch die Erfassungseinrichtung 18 elektrisch versorgt ist, ist diese über die Signalleitung 24 mit der Signaleinrichtung 22 verbunden. Die Signalleitung 24 dient also nicht nur der signaltechnischen Übertragung, sondern auch zur Stromversorgung der Erfassungseinrichtung.
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Insgesamt geht somit eine Integration eines Notsignalgebers in einem Batteriespeicher hervor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterie
- 12
- Gehäuse
- 14
- Innenraum
- 16
- Batteriemodul
- 18
- Erfassungseinrichtung
- 20
- Bodenfläche
- 22
- Signaleinrichtung
- 24
- Signalleitung
- 26
- Versorgungsleitung
- 28
- Pluspol
- 30
- Minuspol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0076926 A1 [0006]
- DE 102012214262 A1 [0007]
