DE102016117441A1 - Traktionsbatterie und Fahrzeug mit einer solchen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung stellt eine Traktionsbatterie (10) mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Traktionsbatterie (10) umfasst Zellmodule (11) zum Speichern elektrischer Energie; die Traktionsbatterie (10) umfasst ein Gehäuse zum Umhüllen der Zellmodule (11); und die Traktionsbatterie (10) umfasst Sensoren (12) zum Messen einer mechanischen Belastung der Zellmodule (11). Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Fahrzeug bereit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Fahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Hinlänglich bekannt sind unterschiedlichste Traktionsbatterien, wie sie zum Antrieb elektrischer Fahrzeuge verwendet werden. Eine gattungsmäßige Traktionsbatterie setzt sich aus mehreren Batteriemodulen zusammen, welche in einem gemeinsamen Batteriegehäuse üblicherweise im Unterboden des Fahrzeuges angeordnet sind. Aus Sicherheitsgründen ist eine Überwachung der Batterie oder der Batteriemodule auf Beschädigungen durch externe Belastungen wie Aufprallunfälle notwendig.
  • DE 10 2012 207 999 A1 betrifft eine Hüllfolie für ein galvanisches Element. Die Hüllfolie weist mindestens einen Kraftsensor zum Erfassen eines Dehnungszustands der Hüllfolie auf.
  • DE 10 2012 017 184 A1 offenbart eine elektrochemische Energiespeicherzelle, die eine Elektrodenbaugruppe, welche wenigstens eine erste Elektrode einer ersten Polarität und wenigstens eine zweite Elektrode einer zweiten Polarität aufweist, und eine folienartige Umhüllung enthält, welche die Elektrodenbaugruppe zumindest teilweise umschließt. Zur Erhöhung der Sicherheit weist die Umhüllung wenigstens eine erste Funktionsschicht, welche zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgebildet ist und elektrisch leitend mit der wenigstens einen ersten Elektrode der Elektrodenbaugruppe verbunden ist, und wenigstens eine elektrische Isolierschicht, welche die erste Funktionsschicht der Umhüllung im Normalbetriebszustand der Energiespeicherzelle in einer Schichtrichtung der Umhüllung von der Elektrodenbaugruppe trennt, auf.
  • DE 10 2014 223 359 A1 schließlich betrifft eine Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung einer Batteriezelle mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines ersten Messwerts eines Parameters der Batteriezelle, wobei der Parameter eine Masse, ein Volumen, eine Dimension oder eine Dicke der Batteriezelle umfasst und zum, nach einem Zeitabschnitt, Erfassen eines zweiten Messwerts des Parameters der Batteriezelle; eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des zweiten Messwerts mit dem ersten Messwert; und eine Bestimmungseinrichtung zum, wenn sich der zweite Messwert und der erste Messwert um mehr als einen vorbestimmten Schwellenwert unterscheiden, Bestimmen, dass die Batteriezelle undicht ist, oder zum, wenn sich der zweite Messwert und der erste Messwert um weniger als den vorbestimmten Schwellenwert unterscheiden, Bestimmen, dass die Batteriezelle dicht ist, ein Verfahren, ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, eine Batterie, ein Batteriesystem und ein Fahrzeug.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine Traktionsbatterie und ein entsprechendes Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass nach dem Stand der Technik im Falle einer Zündung des Airbag-Systems nach dem Unfall eines Fahrzeuges dessen Hochvoltsystem ausgeschaltet und Batterie unabhängig von ihrem Zustand verschrottet wird. Eine vorangehende Zustandsbewertung der Batterie kommt hierbei allenfalls unter funktional-elektrischen oder thermischen, nicht aber unter optisch-sensorischen Gesichtspunkten in Betracht.
  • Im Ergebnis führt diese Routine zu einem unbefriedigenden Austausch aller Traktionsbatterien nach Unfällen mit Auslösung des Airbags oder der Gurte. Ein derartiger Austausch insbesondere von gängigen Lithium-Ionen-Batterien verursacht dem Fahrzeughalter bzw. dessen Versicherung jedoch hohe Kosten. Die Erfindung erkennt in dieser Hinsicht, dass eine geeignete Sensorik aussagekräftigere Anhaltspunkte für die Notwendigkeit eines Austauschs liefern könnte; nach dem Stand der Technik scheinen jedoch keine entsprechenden Lösungen bekannt.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, eine Vielzahl von Sensoren in das Batteriegehäuse zu integrieren, um die Belastungen der Batterie(-module) zu messen. Diese Sensoren können flächig im Batteriegehäuse, insbesondere im Unterboden und den Seitenwänden verbaut sein. Die Sensoren können beispielsweise auf einer gemeinsamen Folie angeordnet sein. Der Begriff „Messung“ ist hierbei in einem weiten Wortsinn zu deuten, der nicht in erster Linie auf eine Quantisierung – beispielsweise einer Kraft von 2 kN oder einer exakten Formänderung mittels Dehnstreifen – sondern auf eine qualitative Erfassung beispielsweise der Topologie äußerer Kontaktkräfte über die Außenflächen des Batteriegehäuses abzielt.
  • Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der erlangten Kenntnis von der Belastung der Batteriezellmodule zu jeder Zeit unter Zuhilfenahme von geeigneter Hardware und Software. Dies wiederum ermöglicht anstelle unnötiger Reparatur-, Austausch- oder Entsorgungsmaßnahmen die Wiederinbetriebnahme von Batterien nach deren Unfall und erschließt somit ein hohes Einsparpotenzial. Geschaffen wird auf diese Weise zugleich ein mächtiges Entwicklungswerkzeug zur effizienten Auslegung von Batterien.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann vorgesehen sein, ein solches Sensorsystem an den einzelnen Batteriemodulen anzubringen, um Belastungen der einzelnen Batteriemodule zu erfassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • 1 zeigt den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Batterie.
  • 2 zeigt eine Draufsicht des geöffneten, mit einem Zellmodul bestückten Batteriegehäuses.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des mit einem Sensor versehenen Zellmoduls.
  • 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Sensors in Alleinstellung.
  • 5 zeigt die teiltransparente perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges.
  • 6 zeigt einen Längsschnitt des unbeschädigten Fahrzeuges.
  • 7 zeigt den Längsschnitt des Fahrzeuges nach einem Unfall.
  • 8 zeigt die Explosionsdarstellung einer ersten Variante der Erfindung.
  • 9 zeigt die Explosionsdarstellung einer zweiten Variante der Erfindung.
  • 10 zeigt den Teilschnitt einer dritten Variante der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die 1 und 2 illustrieren in ihrer Zusammenschau den grundlegenden Aufbau einer erfindungsgemäßen Traktionsbatterie (10). Die Draufsicht gemäß 2 lässt hierbei ein einzelnes Zellmodul (11) erkennen, welches, wie 3 verdeutlicht, mit einem integrierten Folien-Sensor (12) ausgestattet ist. Dieser in 4 beleuchtete Sensor (12) besteht aus zwei sehr dünnen, flexiblen Polyesterfolien, auf denen parallel zueinander angeordnete Leiterbahnen aufgedruckt sind. Die beiden innenseitig elektrisch halbleitend beschichteten Folien liegen derart aneinander an, dass ihre Leiterbahnen sich an Kreuzungspunkten gegenseitig berühren, welche somit gleichsam eine Matrix von einzelnen Messpunkten definieren. Jeder Punkt der Matrix weist dabei einen variablen Widerstand auf, der im unbelasteten Zustand am größten ist.
  • 5 zeigt diese taktile Folie in der vorgesehenen Einbaulage einer Traktionsbatterie (20) im Fahrzeug (30). Die in Unterboden und Seitenwände des Gehäuses integrierten Sensoren (12) dienen hier dazu, die mechanische Belastung oder Deformation der anliegenden Zellmodule (11) zu erfassen. Zu diesem Zweck ist ein elektronischer Multiplexer derart konfiguriert, dass jeder der Kreuzungspunkte mit einer elektrischen Spannung beschaltet wird, sodass die resultierende Stromstärke im jeweiligen Kreuzungspunkt vom mechanischen Druck auf diesen Punkt abhängt.
  • Beim unbeschädigten Fahrzeug (30) ergibt sich somit, wie 6 veranschaulicht, eine im Wesentlichen gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Matrix des Folien-Sensors (12). Anders verhält es sich nach dem in 7 gezeigten Crashtest: Die mobile Crashbarriere (40) hat hier durch ihren Aufprall auf das Heck des Fahrzeuges (30) dessen Elektromotor (21) derart verschoben, dass die Traktionsbatterie (20) einer beträchtlichen mechanischen Belastung unterliegt. Dies wiederum spiegelt sich in einer ungleichmäßigen und vom Normalzustand deutlich abweichenden Druckverteilung wider, welche einer Zustandsbewertung der Traktionsbatterie (20) zugrunde gelegt werden kann. Hierzu kann das Fahrzeug (30) eine – zeichnerisch nicht dargestellte – Logikschaltung umfassen, die eine intelligente Überwachung der Sensordaten in Verbindung mit weiteren, beispielsweise vom Airbag gelieferten Einflussgrößen erlaubt.
  • Es versteht sich dabei, dass die Sensoren in unterschiedlichster Weise beispielsweise in Frontplatten (13), Wänden (14), Böden (15) oder an geeigneten Eckpunkten (16) des Batteriegehäuses (17) örtlich von den Zellmodulen (11) getrennt sein mögen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielhaft verdeutlichen dies die 8, 9 und 10, wobei diverse Varianten der dargestellten Konfigurationen denkbar erscheinen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • DE 102012017184 A1 [0004]
    • DE 102014223359 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Traktionsbatterie (10, 20), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Traktionsbatterie (10, 20) umfasst Zellmodule (11) zum Speichern elektrischer Energie, – die Traktionsbatterie (10, 20) umfasst ein Gehäuse (17) zum Umhüllen der Zellmodule (11) und – die Traktionsbatterie (10, 20) umfasst von den Zellmodulen (11) örtlich getrennte Sensoren (12) zum Messen einer mechanischen Belastung der Zellmodule (11).
  2. Traktionsbatterie (10, 20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Sensoren (12) sind dazu angepasst, die Belastung anhand einer Deformation der Zellmodule (11) zu detektieren.
  3. Traktionsbatterie (10, 20) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Sensoren (12) sind in das Gehäuse (17), insbesondere in einen Unterboden (15) oder Seitenwände (14) des Gehäuses (17), integriert.
  4. Traktionsbatterie (10, 20) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Sensoren (12) sind zwischen den Zellmodulen (11) angeordnet.
  5. Traktionsbatterie (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Sensoren (12) sind Folien-Sensoren (12).
  6. Traktionsbatterie (10, 20) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Folien-Sensoren (12) umfassen jeweils zwei Folien, insbesondere Polyesterfolien, und – die Folien weisen jeweils einseitig Leiterbahnen auf.
  7. Traktionsbatterie (10, 20) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Leiterbahnen jeder der Folien sind parallel zueinander angeordnet und – die Folien liegen derart aneinander an, dass die Leiterbahnen sich an Kreuzungspunkten gegenseitig berühren.
  8. Traktionsbatterie (10, 20) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Folien sind zumindest an den Kreuzungspunkten innenseitig elektrisch halbleitend beschichtet.
  9. Traktionsbatterie (10, 20) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Folien-Sensor (12) umfassen ferner einen elektronischen Multiplexer und – der Multiplexer ist derart konfiguriert, dass jeder der Kreuzungspunkte mit einer elektrischen Spannung beschaltet wird, sodass eine durch die Spannung bedingte Stromstärke in dem jeweiligen Kreuzungspunkt von einem mechanischen Druck auf den Kreuzungspunkt abhängt.
  10. Fahrzeug (30), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Fahrzeug (30) umfasst einen Elektromotor (21) zum Antreiben des Fahrzeuges (30) und – das Fahrzeug (30) umfasst eine mit dem Elektromotor (21) elektrisch verbundene Traktionsbatterie (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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