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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere mit Mittel zur Entfeuchtung, zur Dichtigkeitsüberwachung und zum sicheren Betrieb, und ein Verfahren zu einem Betrieb der Kraftfahrzeugbatterie.
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Aus der
DE 10 2009 054 922 A1 ist bereits eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere eine HV-Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Batteriegehäuse und mit zumindest einem Batteriegehäuseinnenraum und mit zumindest einem in dem Batteriegehäuseinnenraum aufgenommenen Zellblock bekannt, sowie ein Verfahren zur Minderung der Feuchtigkeit eines Gases mittels einer Trocknungseinrichtung und dem Einleiten des Gases in den Batteriegehäuseinnenraum.
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In allen Fahrzeugen mit sogenannten e-drive Anteilen, also HEV-, PHEV-, EV- aber auch BZ-Fahrzeugen, befindet sich eine Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere eine Hochvolt(HV)-Kraftfahrzeugbatterie. Sie besteht in der Regel aus mehrteiligen Gehäusen und/oder Deckeln, die mittels Dichtungen und/oder Klebungen miteinander verbunden und abgedichtet sind. Zudem sind Durchführungen für elektrische Steckverbinder und Temperier-Anschlüsse mit weiteren Dichtungen notwendig. Bekanntermaßen verträgt sich eine Hochspannung nicht mit Wasser. Bei Ansammlung von Feuchtigkeit bzw. Wasser innerhalb einer HV-Kraftfahrzeugbatterie, können Gefahren entstehen. Dringt beispielsweise Wasser in eine HV-Kraftfahrzeugbatterie ein, kann es durch Elektrolyse zur Knallgasbildung, zu Spannungsüberschlägen, lokaler Erhitzung und u. a. zu einem Brand kommen. Weder die Komponenten noch die Luft- und Kriechstrecken innerhalb einer HV-Kraftfahrzeugbatterie sind dafür ausgelegt und es kann zu oben beschriebenen Auswirkungen kommen. Selbst bei anfänglich dichten Systemen kann es je nach Beanspruchung im Fahrzeug über viele Jahre hinweg zu Undichtigkeiten kommen, z. B. durch Verspröden von Dichtungen, Vibrationseinflüssen und/oder mechanischen Beschädigungen durch Aufsetzen, ungeeignetes Aufbocken etc. Dadurch könnte Wasser während des Fahrbetriebs und/oder durch Fahrzeugwäschen seinen Weg ins Innere einer HV-Kraftfahrzeugbatterie finden. Ebenso könnte über lange Zeitspannen hinweg mit entsprechenden Temperaturänderungen auch eine Kumulation von Luftfeuchtigkeit mit eventueller Auskondensierung zur Wasseransammlung innerhalb einer HV-Kraftfahrzeugbatterie führen. In einer HV-Kraftfahrzeugbatterie kommt es im Gegensatz zum verbrennungsmotorischen Umfeld nicht zu derart hohen Temperaturen, dass Wasser wieder verdunsten kann und dadurch aus der HV-Kraftfahrzeugbatterie wieder entweichen könnte. Die HV-Kraftfahrzeugbatterie ist die sensibelste HV-Komponente eines E-Fahrzeugs, da andere HV-Komponenten im Park-Modus spannungsfrei geschaltet sind. Die Zellen einer HV-Kraftfahrzeugbatterie haben aber immer Spannung, und da sie elektrisch fix in Reihe geschaltet sind, liegt auch innerhalb des Batteriegehäuses immer ein Hochspannungspotential vor.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Kraftfahrzeugbatterie bereitzustellen, mittels welcher ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftfahrzeugbatterie mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Entfeuchtung und/oder einer Dichtigkeitsüberwachung bereitzustellen. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 und einem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend dem Anspruch 4 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Kraftfahrzeugbatterie, insbesondere von einer Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie, mit einem Batteriegehäuse und mit zumindest einem in dem Batteriegehäuse aufgenommenen Zellblock.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Kraftfahrzeugbatterie zumindest eine Überdruckeinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, einen Innenraum des Batteriegehäuses mit einem zumindest im Wesentlichen zeitlich konstanten Überdruck zu beaufschlagen und eine dem Innenraum des Batteriegehäuses zugeführtes Gas zu filtern und/oder zu trocknen. Das Gas besteht beispielsweise aus Luft, aus Stickstoff, aus Kohlendioxid, aus Inertgasen oder Gasmischungen. Der Überdruck im Innenraum des Batteriegehäuses bezieht sich auf einen aktuellen Luftdruck in einer Umgebung des Batteriegehäuses. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhaft sichere Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt werden. Es kann insbesondere vorteilhaft eine zuverlässige Entfeuchtung und Dichtigkeitsüberwachung ermöglicht werden.
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Unter einem Batteriegehäuse soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gehäuse einer Hochvolt-Batterie verstanden werden, welches zu einer Aufnahme und einem Schutz zumindest eines Zellblocks der Hochvolt-Batterie vorgesehen ist. Das Batteriegehäuse kann zudem die nötigen Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und/oder Absicherung der Batterie, wie beispielsweise ein BMS (Batteriemanagementsystem), Schütze zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen und/oder Strommesser, aufnehmen. Das Batteriegehäuse ist vorzugsweise aus einem stabilen Material, wie beispielsweise einem Metallguss, einem Blech und/oder faserverstärktem Kunststoff, gefertigt. Besonders bevorzugt ist das Batteriegehäuse beispielsweise mittels eines Stoffschlusses und/oder mittels einer Verschraubung und/oder Vernietung verschlossen. Bevorzugt ist das Batteriegehäuse zumindest vor einem Verschließen mehrteilig ausgeführt. Es sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltungen des Batteriegehäuses denkbar, wie beispielsweise als Wanne mit einem Deckel, als zwei Wannen und/oder als ein Rohr mit zwei Deckeln.
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Ferner soll in diesem Zusammenhang unter einer Überdruckeinheit insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zu einer Erzeugung eines Überdrucks, insbesondere gegenüber einem Umgebungsdruck, vorgesehen ist. Es sind verschiedene, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Überdruckeinheiten denkbar, insbesondere soll darunter eine, vorzugsweise elektrisch betriebene, Pumpe, insbesondere Luftpumpe, wie beispielsweise eine Membranpumpe, verstanden werden. Vorzugsweise ist die Überdruckeinheit dazu vorgesehen, Luft aus einer Umgebung anzusaugen und in einen Innenraum des Batteriegehäuses zu leiten, insbesondere zu pumpen. Vorzugsweise wird ein im Wesentlichen zeitlich konstanter Überdruck im Innenraum des Batteriegehäuses dauerhaft aufrechterhalten. Unter einem zumindest im Wesentlichen zeitlich konstanten Überdruck soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zeitlich anhaltender Überdruck relativ zu einem Umgebungsdruck verstanden werden. Vorzugsweise soll darunter insbesondere ein zumindest im Wesentlichen gleichbleibender Überdruck verstanden werden. Unter zumindest im Wesentlichen soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Abweichung von einem vorgegebenen Wert insbesondere weniger als 40%, vorzugsweise weniger als 30% und besonders bevorzugt weniger als 20% des vorgegebenen Werts beträgt.
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Des Weiteren soll in diesem Zusammenhang unter filtern insbesondere das Ausfiltern von Partikeln, wie insbesondere von Schmutz, verstanden werden. Unter trocknen soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Luftfeuchtigkeit, insbesondere eine absolute Luftfeuchtigkeit, der zugeführten Luft abgesenkt wird.
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Unter einer Hochvolt-Batterie und/oder unter Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie soll insbesondere eine Batterie mit einer Gleichspannung von zumindest 60 V und/oder mit einer Wechselspannung von zumindest 25 V verstanden werden.
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Unter vorgesehen soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Kraftfahrzeugbatterie eine Überwachungseinheit mit zumindest einem Drucksensor aufweist, welche zu einer Überwachung eines Drucks in dem Innenraum des Batteriegehäuses vorgesehen ist. Vorzugsweise ist die Überwachungseinheit dazu vorgesehen, aus einem plötzlichen Druckabfall in dem Innenraum des Batteriegehäuses auf eine Undichtigkeit des Batteriegehäuses zu schließen. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhaft sichere Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt werden. Es kann insbesondere vorteilhaft eine zuverlässige Dichtigkeitsüberwachung erreicht werden. Vorzugsweise kann eine Messgröße des Drucksensors zu einer Steuerung oder zu einer Regelung der Überdruckeinheit genutzt werden.
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Ferner geht die Erfindung aus von einem Verfahren zu einem Betrieb der Kraftfahrzeugbatterie. Es wird vorgeschlagen, dass die Überdruckeinheit zu einer Erzeugung eines zumindest im Wesentlichen zeitlich konstanten Überdrucks in dem Innenraum des Batteriegehäuses dem Innenraum des Batteriegehäuses gefilterte und getrocknete Luft zuführt. Vorzugsweise pumpt die Überdruckeinheit zu einer Erzeugung eines zumindest im Wesentlichen zeitlich konstanten Überdrucks in dem Innenraum des Batteriegehäuses gefilterte und getrocknete Luft aus einer Umgebung in den Innenraum des Batteriegehäuses. Bevorzugt wird ein Überdruck in dem Innenraum über eine Steuerung oder einer Regelung zumindest im Wesentlichen zeitlich konstant gehalten. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhaft sichere Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt werden. Es kann insbesondere vorteilhaft eine zuverlässige Entfeuchtung und Dichtigkeitsüberwachung ermöglicht werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den folgenden Figurenbeschreibungen. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie,
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2 die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbatterie mit einer Überdruckeinheit und mit einer Überwachungseinheit in einer schematischen Darstellung und
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einem Betrieb der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbatterie.
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Die 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 24. Das Kraftfahrzeug 24 umfasst einen Antriebsstrang mit einem Elektromotor 17, der zum Antrieb von Antriebsrädern 18 vorgesehen ist. Ferner weist das Kraftfahrzeug 24 eine Kraftfahrzeugbatterie 10 auf. Die Kraftfahrzeugbatterie 10 ist als Hochvolt-Kraftfahrzeugbatterie, wie beispielsweise für Hybrid-, Plugin- oder Elektrofahrzeuge, ausgeführt. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine Anwendung in anderen, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausbildung einer Batterie denkbar, wie beispielsweise einem Energiespeicher für eine stationäre Anwendung, beispielsweise zur Stromversorgung und/oder -speicherung. Ferner weist die Kraftfahrzeugbatterie 10 ein Batteriegehäuse 11 und einen in dem Batteriegehäuse 11 aufgenommenen Zellblock 12 auf. Das Batteriegehäuse 11 ist zu einer Aufnahme und einem Schutz des Zellblocks 12 der Kraftfahrzeugbatterie 10 vorgesehen. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, dass das Batteriegehäuse 11 zudem zu einer Aufnahme von nötigen Einrichtungen zur elektrischen Steuerung und/oder Absicherung der Batterie, wie beispielsweise eines BMS (battery management system), Schützen zur Zu- und Abschaltung des Stromes, Sicherungen und/oder Strommessern vorgesehen ist. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, dass die Kraftfahrzeugbatterie 10 mehrere Zellblöcke 12 umfasst. Der Zellblock 12 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen. Die Batteriezellen sind zur Speicherung und Abgabe einer elektrischen Leistung vorgesehen. Die Batteriezellen des Zellblocks 12 sind beispielhaft gestapelt angeordnet (2).
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In 2 weist die Kraftfahrzeugbatterie 10 ferner eine Überdruckeinheit 13 auf. Die Überdruckeinheit 13 ist dazu vorgesehen, einen Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 mit einem im Wesentlichen zeitlich konstanten Überdruck zu beaufschlagen. Die Überdruckeinheit 13 umfasst dazu eine elektrisch betriebene Luftpumpe 19. Die Luftpumpe 19 ist von einer Membranpumpe gebildet. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine andere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Ausgestaltung der Luftpumpe 19 denkbar. Die Luftpumpe 19 ist zu einer Erzeugung des im Wesentlichen zeitlich konstanten Überdrucks vorgesehen. Die Luftpumpe 19 ist dazu vorgesehen, mittels angesaugter, sauberer und möglichst trockener Luft, einen geringen Überdruck eines Gases innerhalb des Batteriegehäuses 11 zu erzeugen. Gegen den so erzeugten Überdruck in dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 kann durch undichte Stellen im Batteriegehäuse 11 prinzipiell kein Wasser von außen eindringen. Dieser Zustand ist mindestens während des aktiven Zustands des Fahrzeugs leicht und mit wenig Energie zu halten (2).
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Des Weiteren ist die Überdruckeinheit 13 dazu vorgesehen, die dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 zugeführte Luft zu filtern und zu trocknen. Zur Erzeugung des Überdrucks in dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 ist nur ein geringer Volumenstrom notwendig. Die Überdruckeinheit 13 weist zur Sicherstellung möglichst trockener angesaugter Luft eine Entfeuchtungseinrichtung 20 auf. Die Entfeuchtungseinrichtung 20 ist dazu in einem Ansaugpfad angeordnet. Die Entfeuchtungseinrichtung 20 ist beispielhaft von einer Membran gebildet. Weiter Ausgestaltungen sind denkbar, wie insbesondere als eine sogenannte Kältefalle, an der die Luftfeuchtigkeit beim Einströmen im Ansaugpfad auskondensiert. Ferner kann die Luftansaugung in einem schmutzgeschützten Bereich des Kraftfahrzeugs 24 über ein Filter erfolgen. Grundsätzlich wäre jedoch auch denkbar, dass auf ein Filter verzichtet werden kann oder eine bereits vorhandener Luftfilter in dem Kraftfahrzeug 24 genutzt wird.
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Zudem weist die Kraftfahrzeugbatterie 10 eine Überwachungseinheit 15 auf. Die Überwachungseinheit 15 weist einen Drucksensor 16 auf. Der Drucksensor 16 ist zum Messen eines Drucks in dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 vorgesehen. Durch den Drucksensor 16 in der Kraftfahrzeugbatterie 10 lässt sich der mittels der Luftpumpe 19 erzeugte Überdruck messen und ein auftretender Druckabfall, der auf eine Undichtigkeit hindeutet, kann zuverlässig detektiert werden. Die Überwachungseinheit 15 ist dazu vorgesehen, aus einem auftretenden Druckabfall in dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 auf eine Undichtigkeit des Batteriegehäuses 11 zu schließen. Hierzu wird die Luftpumpe 19 beispielhaft nur intervallmäßig betrieben und in den Aus-Zeiten wird das Druckverhalten, z. B. ein Abfall in einem bestimmten Zeitintervall, ausgewertet.
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Kann die Luftpumpe 19 innerhalb einer gewissen Zeit nicht den vordefinierten Überdruck erreichen, deutet dies ebenfalls auf eine Undichtigkeit hin.
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Die Überwachungseinheit 15 weist zum Überwachen, Regeln, Steuern, Auswerten, etc. ein Steuergerät 21 auf. Das Steuergerät 21 kann beispielsweise von dem BMS der Kraftfahrzeugbatterie 10 oder zumindest von einem Teil des BMS der Kraftfahrzeugbatterie 10 gebildet sein. Das Steuergerät 21 wertet das Verhalten des erzeugten Überdrucks aus und kann verschiedene Funktionen veranlassen. Beispielsweise kann einem Fahrer ein Druckabfall bzw. ein möglicher Defekt in einem Display des Kraftfahrzeugs 24 angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann an einen Halter und/oder einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 24 beispielsweise über ein GSM-Modul des Kraftfahrzeugs 24 eine Meldung ”Service erforderlich” abgesetzt werden. Grundsätzlich sind auch andere Meldungen, wie insbesondere detaillierte Meldungen, denkbar. Diese können von Steuergeräten im Fahrzeug verarbeitet werden und zu weiteren Maßnahmen führen, insbesondere Maßnahmen zur Beseitigung der Ursache von undichten Stellen im Batteriegehäuse. Auf diese Weise kann die Sicherheit des Fahrzeugs zu erhöht werden.
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Die beschriebene Kraftfahrzeugbatterie 10 kann kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere kann die Überwachung vom BMS übernommen werden, da es sich um langsame, nicht zeitkritische Vorgänge handelt. Es kann insbesondere ein präventiver Schutz der Kraftfahrzeugbatterie 10 erreicht werden. Meldungen sind insbesondere frühzeitig möglich und nicht erst dann, wenn die Kraftfahrzeugbatterie 10 schon Isolationsfehler oder sogar Defekte aufweist.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einem Betrieb der Kraftfahrzeugbatterie 10. Bei dem Verfahren führt die Überdruckeinheit 13 zu einer Erzeugung eines im Wesentlichen zeitlich konstanten Überdrucks in dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11, dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 gefilterte und getrocknete Luft zu. Die Luftpumpe 19 wird dazu in einem ersten Verfahrensschritt 22 temporär, insbesondere zu einer Erreichung eines intervallmäßigen Betriebs, betrieben. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 23 mittels des Drucksensors 16 ein Druck in dem Innenraum 14 des Batteriegehäuses 11 gemessen. Der Druck wird mittels dem Steuergerät 21 der Überwachungseinheit 15 überwacht. Das Steuergerät 21 wertet dazu das Druckverhalten in den Aus-Zeiten der Luftpumpe 19 aus. Anschließend folgt wieder der erste Verfahrensschritt 22.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeugbatterie
- 11
- Batteriegehäuse
- 12
- Zellblock
- 13
- Überdruckeinheit
- 14
- Innenraum
- 15
- Überwachungseinheit
- 16
- Drucksensor
- 17
- Elektromotor
- 18
- Antriebsrad
- 19
- Luftpumpe
- 20
- Entfeuchtungseinrichtung
- 21
- Steuergerät
- 22
- Verfahrensschritt
- 23
- Verfahrensschritt
- 24
- Kraftfahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009054922 A1 [0002]
