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Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für wenigstens eine galvanische Zelle zum Speichern von elektrischer Energie, mit einer Betriebszustandserfassungseinheit zur Erfassung wenigstens einer Betriebszustandsgröße der wenigstens einen galvanischen Zelle und zur Bereitstellung eines Abschaltsignals für eine Zellenabschalteinrichtung zum Abschalten der wenigstens einen galvanischen Zelle in Abhängigkeit von der Betriebszustandsgröße. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen von wenigstens einer galvanischen Zelle zum Speichern von elektrischer Energie, wobei mittels einer Betriebszustandserfassungseinheit wenigstens eine Betriebszustandsgröße der wenigstens einen galvanischen Zelle erfasst und ein Abschaltsignal zum Abschalten der wenigstens einen galvanischen Zelle mittels einer Abschalteinrichtung bereitgestellt wird.
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Überwachungseinrichtungen der gattungsgemäßen Art sowie Verfahren zu deren Betrieb sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Galvanische Zellen der gattungsgemäßen Art dienen dem elektrochemischen Speichern von elektrischer Energie. Vorzugsweise sind solche galvanischen Zellen reversibel betreibbar, das heißt, sie können nicht nur elektrische Energie abgeben, sondern auch sowohl elektrische Energie abgeben als auch elektrische Energie aufnehmen und speichern. Galvanische Zellen weisen üblicherweise zu diesem Zweck wenigstens zwei Elektroden auf, die über jeweilige Anschlüsse elektrisch kontaktiert werden können. Die Elektroden stehen beispielsweise über einen Elektrolyten miteinander in Kontakt, sodass die elektrische Energie durch chemische Umwandlung erzeugt und/oder gespeichert werden kann. Bei Abgabe von Energie erfolgt eine Umwandlung von chemisch gespeicherter Energie in elektrische Energie durch einen entsprechenden Reaktionsvorgang an den Elektroden. Bei Aufnahme von elektrischer Energie erfolgt die Umwandlung reversibel.
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Zwar können galvanische Zellen einzeln verwendet werden, jedoch ist es üblich, mehrere galvanische Zellen durch Reihenschaltung, Parallelschaltung, Matrixschaltung oder dergleichen miteinander elektrisch zu koppeln und so einen Zellenverbund zu bilden. Dadurch kann ein elektrischer Energiespeicher hinsichtlich elektrischer Anforderungen wie elektrische Spannung, elektrischer Strom, Leistung und dergleichen angepasst werden. Der elektrische Energiespeicher wird auch als Akkumulator, Batterie oder dergleichen bezeichnet. Der elektrische Energiespeicher kann folglich eine einzelne galvanische Zelle aber auch einen Zellenverbund aufweisen.
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Vorzugsweise weist der Zellenverbund ebenfalls wenigstens zwei Anschlüsse auf, an denen der Zellenverbund in entsprechender Weise wie eine einzelne galvanische Zelle angeschlossen werden kann. Der Zellenverbund kann durch eine Zellenverbindereinheit erreicht werden. Die Zellenverbindereinheit dient dazu, jede der zum Zellenverbund zu verbindenden einzelnen galvanischen Zellen in gewünschter beziehungsweise vorgegebener Weise zu kontaktieren und zu verschalten. Häufig ermöglicht es die Zellenverbindereinheit, einen Zellenspannungsabgriff für einzelne oder mehrere der galvanischen Zellen bereitzustellen. Darüber hinaus kann die Zellenverbindereinheit auch ausgebildet sein, Temperaturwerte des Zellenverbunds an vorgegebenen Positionen des Zellenverbundes, insbesondere wenigstens einiger der einzelnen galvanischen Zellen, zu erfassen. Die erfassten Werte können einer Auswerteelektronik als Betriebszustandserfassungseinheit zur Verfügung gestellt werden. Die Auswerteelektronik kann beispielsweise erfasste Zellenspannungen auswerten, um eine Aussage über den Zustand des Zellenverbunds zu erhalten.
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Die galvanische Zelle beziehungsweise der Zellenverbund ist üblicherweise über wenigstens ein elektromechanisches Schaltelement an eine elektrische Anlage angeschlossen. Dadurch kann die galvanische Zelle beziehungsweise der Zellenverbund in vorgegebener Weise mit der der elektrischen Anlage gekoppelt werden. Das elektromechanische Schaltelement kann für ein einpoliges Schalten oder auch ein mehrpoliges, insbesondere zweipoliges Schalten ausgelegt sein. Je nach Schaltungsstruktur kann die galvanische Zelle beziehungsweise der Zellenverbund im abgeschalteten Zustand vollständig von der elektrischen Anlage getrennt werden.
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Die elektrische Anlage ist vorzugsweise eine elektrische Anlage eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs, eines Hybridfahrzeugs oder dergleichen. Mittels der Überwachungseinrichtung kann der Betriebszustand der galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds sowie gegebenenfalls auch einzelner galvanischer Zellen des Zellenverbunds erfasst werden. Ändert sich ein vorgegebener Betriebszustand des Zellenverbunds in einen unzulässigen Bereich, besteht die Möglichkeit, dass die Auswerteelektronik ein Abschaltsignal bereitstellt, welches an eine Zellenabschalteinrichtung abgegeben wird. Die Zellenabschalteinrichtung kann beispielsweise das elektromechanische Schaltelement umfassen. Mittels der Zellenabschalteinrichtung kann die galvanische Zelle beziehungsweise der Zellenverbund in Abhängigkeit von der Betriebszustandsgröße von der elektrischen Anlage getrennt werden.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die galvanische Zelle beziehungsweise den Zellenverbund über eine Schmelzsicherung an die elektrische Anlage anzuschließen. Auch hierdurch kann bei Auftreten eines unzulässigen Betriebszustands ein zuverlässiges Abschalten der galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds erreicht werden. Die Schmelzsicherung kann in diesem Fall ebenfalls Teil der Zellenabschaltvorrichtung sein, insbesondere kann sie die Zellenabschalteinrichtung bilden.
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Die vorbeschriebenen Sicherheitsmaßnahmen ermöglichen es jedoch lediglich, die galvanische Zelle beziehungsweise den Zellenverbund in Abhängigkeit von elektrisch erfassbaren Betriebszuständen von der elektrischen Anlage zu trennen. Verbleibt jedoch eine durch Überbeanspruchung hervorgerufene thermische Energie in der galvanischen Zelle beziehungsweise im Zellenverbund, kann diese thermische Mehrbelastung zu einer erhöhten Beanspruchung einer Zellenchemie führen. Diese kann zu einer Schädigung der galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds, insbesondere zu einer irreversiblen Schädigung der galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds, führen. Eine derartige Schädigung kann beispielsweise zu einem Öffnen der galvanischen Zelle und einem Austritt von Elektrolyt führen. Dies ist der Freisetzung von Energie gleichzusetzen. In einem Zellenverbund kann dies dazu führen, dass auch auf benachbarte Zellen eine entsprechende Beanspruchung einwirkt und ihrerseits ein Freisetzen von Energie, zum Beispiel durch Elektrolytaustritt, bewirkt wird.
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Insbesondere bei Austritt von Elektrolyt kann eine Brandentwicklung ausgelöst werden, und es können giftige Gase austreten beziehungsweise gebildet werden. Dies betrifft natürlich nicht nur aber auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Darüber hinaus können Salze und metallische Bestandteile Luft- und Kriechstrecken reduzieren, wodurch die Spannungsfestigkeit ebenfalls beeinträchtigt werden kann. So können sich beispielsweise innerhalb eines Zellenverbunds und zwischen galvanischen Zellen nicht vorgesehene und undefiniert hohe Stromflüsse einstellen. Diese können beispielsweise dazu führen, dass weitere noch nicht defekte galvanische Zellen ungeregelt entladen werden. Weiterhin können aufgrund reduzierter Kriech- und Luftstrecken Plasmalichtbögen entstehen. Diese können ein Gehäuse der galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds an undefinierten Stellen schädigen, insbesondere aufschweißen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Sicherheit einer galvanischen Zelle beziehungsweise eines Zellenverbunds aus galvanischen Zellen zu verbessern.
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Als Lösung wird mit der Erfindung eine Überwachungseinrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Ferner wird mit dem weiteren unabhängigen Anspruch 8 ein entsprechendes Verfahren zum Überwachen von wenigstens einer galvanischen Zelle zum Speichern von elektrischer Energie vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Mit der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Überwachungseinrichtung insbesondere vorgeschlagen, dass die Betriebszustandserfassungseinheit wenigstens ein in einem vorgegebenen Abstand zu der wenigstens einen galvanischen Zelle anzuordnendes Sensorelement aufweist, das zwei Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff aufweist, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat und gegenüber einander elektrisch isoliert derart angeordnet sind, dass sie eine umgebende Atmosphäre der wenigstens einen galvanischen Zelle kontaktieren, und dass die Betriebszustandserfassungseinheit ausgebildet ist, einen elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden des Sensorelements als Betriebszustandsgröße zu erfassen.
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In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass mittels eines in einem vorgegebenen Abstand der wenigstens einen galvanischen Zelle angeordneten Sensorelements mit zwei Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat und gegenüber einander elektrisch isoliert angeordnet sind, eine umgebende Atmosphäre der wenigstens einen galvanischen Zelle kontaktiert wird, und dass mittels der Betriebszustandserfassungseinheit ein elektrischer Widerstand zwischen den Elektroden des Sensorelements als Betriebszustandsgröße erfasst wird.
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Mit der Erfindung ist es somit mit geringem Aufwand möglich, unzulässige Betriebszustände, die insbesondere zu gefährlichen Zuständen führen können, zu erfassen und eine entsprechende Meldung auszugeben. Dabei basiert die Erfindung darauf, einen nicht ausschließlich elektrisch erfassbaren Betriebszustand zu erfassen, insbesondere basierend auf einer Umgebungsatmosphäre in einem Nahbereich der galvanischen Zelle. Deshalb sieht die Erfindung vor, dass das Sensorelement in einem vorgegebenen Abstand zur galvanischen Zelle anzuordnen ist. Der Abstand ist vorzugsweise so zu wählen, dass mit hinreichender Zuverlässigkeit Änderungen der Atmosphäre einer Änderung eines Betriebszustands der galvanischen Zelle zugeordnet werden können.
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Das Abschaltsignal dient dazu, die Zellenabschalteinrichtung derart anzusteuern, dass die galvanische Zelle beziehungsweise der Zellenverbund von der elektrischen Anlage elektrisch getrennt wird, an sie beziehungsweise er angeschlossen ist. Darüber hinaus kann das Abschaltsignal auch dazu verwendet werden, eine Warnmeldung auszugeben, beispielsweise wenn bei einer bereits abgeschalteten galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds nach dem Abschalten das Abschaltsignal weiterhin ansteht und ein unzulässiger Betriebszustand der galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds weiterhin vorliegt.
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Obwohl sich die Erfindung insbesondere für den Einsatz bei einem Zellenverbund eignet, kann sie gleichermaßen auch bei einer einzelnen galvanischen Zelle eingesetzt werden. Die Erfindung basiert unter anderem auch darauf, dass außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebszustands die galvanische Zelle oder auch eine oder mehrere galvanische Zellen eines Zellenverbunds zelleneigene Stoffe freisetzen, beispielsweise in Gasform, als Partikel und/oder dergleichen, die mittels des erfindungsgemäßen Sensorelements detektiert werden können. Dadurch ist es möglich, selbst bei einer abgeschalteten galvanischen Zelle beziehungsweise bei einem abgeschalteten Zellenverbund unzulässige Betriebszustände, insbesondere gefährliche Zustände, erkennen zu können und eine entsprechende Warnung zu veranlassen. Mit der Erfindung kann also nicht nur erreicht werden, dass bei Detektion eines derartigen Betriebszustands die galvanische Zelle beziehungsweise der Zellenverbund abgeschaltet wird, sondern es kann insbesondere auch eine ergänzende Überwachung und infolgedessen auch eine entsprechende Warnmeldung erfolgen.
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Die galvanische Zelle kann eine einzelne galvanische Zelle sein. Es können aber auch mehrere galvanische Zellen vorgesehen sein. Insbesondere kann die galvanische Zelle auch durch einen Zellenverbund aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen gebildet sein.
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Die Überwachungseinrichtung der Erfindung umfasst die Betriebszustandserfassungseinheit, die ihrerseits das Sensorelement aufweist, welches im vorgegebenen Abstand zu der wenigstens einen galvanischen Zelle beziehungsweise dem Zellenverbund angeordnet ist. Das Sensorelement weist vorzugsweise wenigstens zwei Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff wie Kupfer, Silber, Gold, Nickel, Stahl, Legierungen hiervon aber auch elektrisch leitfähige Polymere und/oder dergleichen auf, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Elektroden durch Kleben mit dem Substrat verbunden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Elektroden durch einen Abscheidungsprozess auf dem Substrat ausgebildet werden können. Das Substrat kann beispielsweise ein Keramikplättchen, ein Kunststoffplättchen, beispielsweise aus einem Leiterplattenmaterial wie FR4, oder dergleichen, aufweisen. Die beiden Elektroden sind gegenüber einander elektrisch isoliert auf dem Substrat angeordnet, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb, das heißt, wenn die Betriebszustandsgröße in einem zulässigen Betriebsbereich ist, zwischen den Elektroden ein hoher elektrischer Widerstand bereitgestellt wird. Die Betriebszustandserfassungseinheit ist zu diesem Zweck dazu ausgebildet, an den Elektroden angeschlossen zu sein und den elektrischen Widerstand des Sensorselements zu erfassen und entsprechend das Abschaltsignal auszugeben. Das Abschaltsignal kann auch als Warnsignal und/oder dergleichen genutzt werden.
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Die Elektroden sind derart angeordnet, dass sie im vorgegebenen Abstand eine umgebende Atmosphäre der wenigstens einen galvanischen Zelle beziehungsweise des Zellenverbunds kontaktieren. Im bestimmungsgemäßen Betrieb ist die Atmosphäre vorliegend durch Luft gebildet, die eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dadurch stellt das Sensorelement im bestimmungsgemäßen Betrieb einen sehr hohen elektrischen Widerstand bereit. Lediglich ein Reststrom kann auftreten, der vorzugsweise durch die Betriebszustandserfassungseinheit jedoch abgeleitet werden kann.
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Tritt ein unzulässiger Betriebszustand auf, setzt die galvanische Zelle beziehungsweise setzen einige der galvanischen Zellen des Zellenverbunds Gase und/oder Partikel frei, die zu einer geänderten Atmosphärenzusammensetzung, insbesondere zu einem Niederschlag auf dem Sensorelement und den Elektroden, führen. Dadurch ändert sich die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und eine entsprechende Widerstandsänderung wird durch die Betriebszustandserfassungseinheit erfasst. Diese erfasste Betriebszustandsänderung dient zur Erzeugung des Abschaltsignals oder auch des Warnsignals.
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Dadurch ist es mit der Erfindung möglich, unzulässige Betriebszustände, wie eingangs diskutiert, zu erfassen. Die Sicherheit kann dadurch verbessert werden.
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Die Elektroden können beispielsweise als Leiterbahn auf dem Substrat ausgebildet sein. Vorzugsweise weisen sie einen vorgegebenen Mindestabstand und/oder einen vorgegebenen Maximalabstand zueinander auf. Dadurch kann erreicht werden, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb auftretende atmosphärische Veränderungen vom Sensorelement nicht in unerwünschter Weise als zu detektierender Betriebszustand erfasst werden. Insbesondere kann durch die geeignete Anpassung des Abstands zwischen den Elektroden eine Anpassung an den zu detektierenden Betriebszustand optimiert werden. Der Abstand zwischen den Elektroden kann beispielsweise etwa 0,5 bis etwa 1,5 mm betragen.
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Vorzugsweise ist das Sensorelement ohne mechanischen Kontakt zu der wenigstens einen galvanischen Zelle angeordnet und insbesondere in einem Gehäuse der wenigstens einen galvanischen Zelle angeordnet. Das Gehäuse umfasst den vorgegebenen Abstand, sodass die wenigstens eine galvanische Zelle und die Atmosphäre sowie das Sensorelement umschlossen sind. Das Gehäuse kann auch einstückig mit dem Substrat ausgebildet sein.
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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 den Figuren 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 zeigen:
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1 in schematischer Schaltbilddarstellung drei galvanische Zellen, die in Reihe geschaltet sind, mit einer Abschalteinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Schaltbilddarstellung für zwei aus mehreren galvanischen Zellen gebildete Zellenverbunde, die mittels eines Verbindungsmoduls miteinander elektrisch gekoppelt sind, sowie mit einer Abschalteinrichtung gemäß 1 gemäß dem Stand der Technik;
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3 eine schematische Schaltbilddarstellung der Schaltung gemäß 1 ergänzend mit einer Überwachungseinrichtung des Stands der Technik;
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4 in schematischer Schaltbilddarstellung ein gestörter Zustand der Schaltung gemäß 2;
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5 ein Sensorelement gemäß der Erfindung in einer Draufsicht und in einer daneben dargestellten Schnittansicht entlang einer Linie V-V;
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6 eine schematische Darstellung des Sensorelements gemäß 5 nach Beaufschlagung des Sensorelements mit einem, durch einen gestörten Zustand durch eine galvanische Zelle abgegebenen Stoff; und
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7 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Betriebszustandserfassungseinheit gemäß der Erfindung mit einem Sensorelement gemäß 5.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Zellenanordnung mit drei galvanischen Zellen 18, die vorliegend miteinander elektrisch in Reihenschaltung geschaltet sind. Die Reihenschaltung der galvanischen Zellen 18 ist über zwei nicht bezeichnete Kontakte eines elektromechanischen Schaltelements, hier eines Schützes 16, sowie über eine Schmelzsicherung 14 an eine elektrische Anlage 12 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs angeschlossen. Über das Schütz 16 sind die galvanischen Zellen 18 zweipolig schaltbar mit der elektrischen Anlage 12 verbindbar.
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2 zeigt eine weitere Ausgestaltung in schematischer Schaltbilddarstellung, bei der anstelle der drei einzelnen galvanischen Zellen 18 zwei Zellenverbunde 10 über ein Verbindungsmodul 20 in Reihe geschaltet sind. Im Unterschied zur 1 ist die Reihenschaltung aus den Zellenverbunden 10 anstelle der galvanischen Zellen 18 an das Schütz 16 angeschlossen.
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3 zeigt nun basierend auf der Anordnung gemäß 1 eine Überwachungseinrichtung 22, die mittels einer Verbindereinheit 24 an die galvanischen Zellen 18 angeschlossen ist. Mittels der Verbindereinheit 24 können die einzelnen Zellenspannungen der galvanischen Zellen 18 abgegriffen werden. Darüber hinaus kann an den Anschlüssen der Reihenschaltung der in Reihe geschalteten galvanischen Zellen 18 jeweils mittels eines Temperatursensors 62, 64 die lokale Temperatur erfasst werden.
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Die einzelnen Zellenspannungen der galvanischen Zellen 18 werden von der Überwachungseinrichtung 22 ausgewertet, um eine Aussage über den Zustand der Gesamtanordnung zu erhalten. Eine nicht dargestellte, übergeordnete Elektronik des Kraftfahrzeugs, an die die Überwachungseinrichtung 22 angeschlossen ist, kann entsprechend Sicherheitsmaßnahmen durch die Ansteuerung der Schütze 16 ergreifen. Mittels der Temperatursensoren 62, 64, welche an signifikanten Stellen im Zellenverbund 10 angeordnet sind, kann eine Aussage zur thermischen Situation der galvanischen Zellen 18 im Zellenverbund 10 erhalten werden. Gerät ein bestimmungsgemäßer Betriebszustand des Zellenverbunds 10 aus dem Bereich für den zuverlässigen bestimmungsgemäßen Betrieb, besteht die Möglichkeit, den Zellenverbund 10 durch Öffnen des Schützes 16 von der elektrischen Anlage 12 zu trennen. Darüber hinaus kann ein Trennen auch durch Auslösen der Schmelzsicherung 14 erreicht werden.
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Diese Sicherheitsmaßnahmen erreichen jedoch lediglich ein Trennen des Zellenverbunds 10 von den Anschlüssen der elektrischen Anlage 12 des Kraftfahrzeugs. Die im gestörten Zustand, zum Beispiel aufgrund von Kurzschluss, Zellenalterung, Zellchemiebelastung durch Eindringen von Fremdpartikeln oder dergleichen, hervorgerufene thermische Energie in den galvanischen Zellen 18 verbleibt im Zellenverbund 10. Die thermische Mehrbelastung ruft ein Beanspruchen der Zellenchemie hervor. Diese Beanspruchung kann im ungünstigsten Fall zu einer irreversiblen Schädigung wenigstens einer der galvanischen Zellen 18 führen. Eine Schädigung kann sich beispielsweise durch Öffnen der galvanischen Zelle 18 und Austritt von Elektrolyt zeigen. Dies entspricht dem Freisetzen von Energie. Aufgrund der thermischen Kopplung sämtlicher galvanischer Zellen 18 im Zellenverbund 10 ist ein Fortgang weiterer Schädigung nicht auszuschließen. Aufgrund der Energiefreisetzung einer der galvanischen Zellen 18 können auch benachbarte galvanische Zellen 18 eine Überbeanspruchung erfahren, die ihrerseits wieder zum Freisetzen von Energie führen kann.
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Im Falle von Austritt von Elektrolyt besteht die Gefahr einer Brandentwicklung sowie des Austritts von giftigen, gefährlichen Gasen. Des Weiteren können Salze und metallische Bestandteile freigesetzt werden, wodurch Luft- und Kriechstrecken reduziert sein können. Dadurch können sich innerhalb einzelner Zellenmodule 10 sowie auch zwischen den Zellenmodulen 10 unerwünschte Strompfade und undefiniert hohe Stromflüsse ausbilden, wie es anhand von 4 dargestellt ist. Dort sind in der schematischen Schaltbilddarstellung im bestimmungsgemäßen Betrieb nicht vorgesehene elektrische Verbindungen 26 entstanden, in denen unkontrollierte Ströme gemäß den Strompfeilen 28 strömen. Dadurch entladen sich noch nicht defekte galvanische Zellen 18 unkontrolliert. Darüber hinaus können hierdurch Plasmalichtbögen entstehen. Diese führen zu weiteren Gefahren, beispielsweise Beschädigungen eines Gehäuses an undefinierten Stellen und dergleichen.
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5 zeigt nun ein Sensorelement 30 für eine Betriebszustandserfassungseinheit 44 gemäß der Erfindung (7), das in einem vorgegebenen Abstand zu der wenigstens einen galvanischen Zelle 18 angeordnet ist. Das Sensorelement 30 weist zwei Elektroden 32, 34 aus Kupfer auf, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat 36, welches vorliegend durch ein Leiterplattenmaterial FR4 gebildet ist, gegenüber einander elektrisch isoliert derart angeordnet sind, dass sie eine umgebende Atmosphäre der galvanischen Zellen 18 kontaktieren. Vorliegend sind die Elektroden 32, 34 fingerförmig ineinandergreifend ausgebildet mit einem Abstand von etwa 1 mm zueinander. Rechts daneben ist ein Schnitt entlang einer Schnittlinie V-V dargestellt. Im bestimmungsgemäßen Betrieb beträgt der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden 32, 34 fast unendlich.
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6 zeigt eine Darstellung wie 5, bei der jedoch ein aufgrund des Freisetzens von Gas ein Stoff 38 auf einer Oberfläche des Sensorelements 30 niedergeschlagen ist. Durch den Niederschlag 38 wird die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden 32, 34 erhöht, sodass ein reduzierter elektrischer Widerstand mittels der Betriebszustandserfassungseinheit 44 erfasst werden kann. Vorliegend bildet sich durch den Niederschlag 38 ein elektrischer Widerstand von kleiner als 100 kΩ aus.
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7 zeigt nun die Betriebszustandserfassungseinheit 44 gemäß der Erfindung, die Bestandteil der Überwachungseinrichtung 22 ist, mit dem Sensorelement 30. Die Betriebszustandserfassungseinheit 44 ist mittels Anschlüssen 46, 48 an die positive beziehungsweise negative Spannungsversorgung der elektrischen Anlage 12 des Kraftfahrzeugs angeschlossen. Darüber hinaus weist die Betriebszustandserfassungseinheit 44 Anschlüsse 50 auf, die zum Anschluss an ein nicht näher dargestelltes Batteriesicherheitssystem des Kraftfahrzeugs dienen.
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Das Sensorelement 30 ist mit einem ersten seiner Anschlüsse an den Anschluss 46 angeschlossen. Ein zweiter seiner Anschlüsse ist an eine Reihenschaltung aus zwei elektrischen Widerständen 40, 42 angeschlossen. Die Reihenschaltung ist ihrerseits ferner an den Anschluss 48 angeschlossen. An einer Verbindungsstelle der elektrischen Widerstände 40, 42 ist ferner parallel zum elektrischen Widerstand 42 ein Spannungsbegrenzungselement 58 angeschlossen, welches vorliegend durch eine Zenerdiode gebildet ist.
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Die Verbindungsstelle ist ferner an ein Halbleiterschaltelement 56 angeschlossen, dessen Schaltstrecke einerseits über einen Vorwiderstand 52 an den Anschluss 46 und andererseits mit seinem anderen Anschluss an einen der Anschlüsse 50 angeschlossen ist. Das Halbleiterschaltelement 56 ist vorliegend als bipolarer Transistor ausgebildet, der mit seinem Kollektor an den Vorwiderstand 52 und mit seinem Emitter an den einen der Anschlüsse 50 angeschlossen ist. Eine Basis des Transistors ist an die Verbindungsstelle der elektrischen Widerstände 40, 42 angeschlossen.
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Im in der 7 dargestellten Auslösefall infolge eines unzulässigen Betriebszustands liegt eine Spannung über dem elektrischen Widerstand 42 auch an einer Steuerelektrode, hier des Basis des Transistors, des Halbleiterschaltelements 56, an. Infolgedessen wird ein Auslösesignal an die Steuerelektrode übermittelt, sodass die Schaltstrecke des Halbleiterschaltelements 56 eingeschaltet, das heißt, geschlossen wird. Daraufhin fließt ein Auslösestrom 54 vom Anschluss 46 über den Vorwiderstand 52 und das Halbleiterschaltelement 56 zu dem entsprechenden Anschluss 50. Dieser kann von dem nicht näher dargestellten Batteriesicherheitssystem erfasst und ausgewertet werden.
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Der Vorteil der Erfindung zeigt sich darin, dass ein Signal nur bei einer Fehlerdetektion, das heißt, bei Auftreten eines bestimmungsfremden Betriebs, erzeugt wird. Dadurch kann ein einfaches Design erreicht werden und zugleich erreicht werden, dass die Betriebszustandserfassungseinheit 44 während des bestimmungsgemäßen Betriebs im Wesentlichen keinen Energieverbrauch aufweist. Darüber hinaus erweist sich die Betriebszustandserfassungseinheit 44 als außerordentlich robust im praktischen Betrieb und auch gegenüber elektromagnetischer Wechselwirkung.
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Nach einer Auslösung kann das Sensorelement 30 entweder ausgetauscht oder gereinigt werden, um den Niederschlag zu entfernen und damit die Funktionsbereitschaft wiederherzustellen.
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Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Weiterhin ist anzumerken, dass die Struktur der Elektroden in beliebiger Weise ausgestaltet sein kann, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
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Weiterhin ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen auch auf das entsprechende Verfahren angewendet werden können. Insbesondere können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zellenverbund
- 12
- elektrische Anlage
- 14
- Schmelzsicherung
- 16
- Schütz
- 18
- galvanische Zelle
- 20
- Verbindungsmodul
- 22
- Überwachungseinrichtung
- 24
- Verbindereinheit
- 26
- elektrische Verbindung
- 28
- Strompfeil
- 30
- Sensorelement
- 32
- Elektrode
- 34
- Elektrode
- 36
- Substrat
- 38
- Niederschlag
- 40
- Widerstand
- 42
- Widerstand
- 44
- Betriebszustandserfassungseinheit
- 46
- Anschluss
- 48
- Anschluss
- 50
- Anschluss
- 52
- Vorwiderstand
- 54
- Auslösestrom
- 56
- Halbleiterschaltelement
- 58
- Spannungsbegrenzungselement
- 62
- Temperatursensor
- 64
- Temperatursensor
