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Die Erfindung geht aus von einem Überwachungssystem für ein elektrochemisches Energiespeichersystem, umfassend ein doppelwandiges Gehäuse mit einer Außenhülle und einer Innenhülle zur Aufnahme mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers, einem Verfahren zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichersystems sowie einer Verwendung des Überwachungssystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Überwachungssystem einen Wärmesensor zur Erfassung von Wärmestrahlung zwischen der Außenhülle und der Innenhülle umfasst, einen ersten Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur in einem durch die Innenhülle gebildeten Raum und/oder des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers, wobei mittels eines zweiten Temperatursensors ein Wärmefluss zwischen der Innenhülle und der Außenhülle erfasst wird und in Abhängigkeit der erfassten Wärmestrahlung und/oder des erfassten Wärmefluss eine Beschädigung der Innenhülle und/oder der Außenhülle erkannt wird. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit sowie ein Energieinhalt des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers erhalten werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Wärmesensor ist an der Außenhülle und/oder zwischen der Innenhülle und der Außenhülle angeordnet. Dadurch kann ein verhältnismäßig großer Bereich in Abhängigkeit von bauvariantenspezifischen Anforderungen erfasst werden.
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Der Wärmesensor ist ein Infrarotsensor. Dadurch kann in Abhängigkeit einer Art eines Vakuums zwischen der Innenhülle und der Außenhülle, beispielsweise ein Hochvakuum, und in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen des Überwachungssystems, beispielsweise elektromagnetischer Felder, eine zuverlässige Erfassung durchgeführt werden.
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Der erste Temperatursensor ist vorteilhafterweise ein Temperatursensor des elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise ein Temperatursensor, der eine Temperatur einer elektrochemischen Zelle überwacht. Dadurch werden keine zusätzlichen Bauteile und/oder zusätzlicher Bauraum benötigt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichersystems umfassend ein doppelwandiges Gehäuse mit einer Außenhülle und einer Innenhülle zur Aufnahme mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers, umfasst folgende Schritte:
- a) Fortlaufendes Erfassen einer Temperatur in einem durch die Innenhülle und die Außenhülle gebildeten Zwischenraums mittels eines Wärmesensors;
- b) Vergleichen (202) eines mittels der erfassten Temperaturen ermittelten Ist-Temperaturverlauf mit einem Soll-Tempertaturverlauf;
- c) Erkennen einer Beschädigung (203) der Innenhülle (103) und/oder der Außenhülle (102), wenn der Ist-Temperaturverlauf von dem Soll-Temperaturverlauf abweicht.
Dadurch kann eine schlagartige Temperaturerhöhung im Zwischenraum, beispielsweise durch eine Beschädigung der Außenhülle, zuverlässig erkannt werden, die für einen Benutzer des Energiespeichersystems nur schwer erkennbar ist. Ist die Außenhülle beschädigt und damit keine reguläre Isolierung mehr möglich, kann beispielsweise das Energiespeichersystem nach einer längeren Nichtbenutzung, beispielsweise eine Hochtemperaturbatterie eines Fahrzeugs bei längerem Stillstand, nicht direkt benutzt werden, da die erforderliche Betriebstemperatur nicht vorliegt.
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Ferner umfasst das Verfahren folgende Schritte:
- d) Erfassen einer Temperatur in einem durch die Innenhülle gebildeten Raum und/oder des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers;
- e) Erfassen einer Temperatur der Außenhülle;
- f) Erkennen einer Beschädigung der Innenhülle und/oder der Außenhülle, wenn ein mittels der Temperaturen ermittelter Wärmefluss zwischen der Innenhülle und der Außenhülle außerhalb eines vorgegeben Temperaturbereichs liegt.
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Dadurch kann eine benötigte Energie zum Heizen des Batteriesystems bei einem langsamen Druckverlust über die gesamte Lebensdauer deutlich reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird.
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Die Reihenfolge der Schritte a), b) und d), e) können zeitgleich oder in anderer zeitlicher Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte c), f) können zeitgleich oder in anderer zeitlicher Reihenfolge nach Ausführung der Schritte a), b) und d), e) durchgeführt werden.
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Ferner umfasst das Verfahren folgenden Schritt:
- g) Erzeugen eines Signals, wenn eine Beschädigung der Innenhülle und/oder Außenhülle erkannt wird.
Dadurch kann ein Benutzer des elektrochemischen Energiespeichersystem, beispielsweise ein Fahrer eines Fahrzeugs umfassend das Energiespeichersystem, gewarnt werden. Weiter ein Flottenbetreiber des Fahrzeugs informiert werden. Weiter kann ein Reparaturtermin automatisiert vereinbart werden oder eine dauerhafte Speicherung der Beschädigung für mögliche Garantiefälle erfolgen.
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Vorteilhafterweise wird ein erfindungsgemäßes Überwachungssystem für elektrochemische Energiespeicher für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems; und
- 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichersystems;
- 3 einen ersten beispielhaften Temperaturverlauf;
- 4 einen zweiten beispielhaften Temperaturverlauf.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems für ein elektrochemisches Energiespeichersystem. Ein Überwachungssystem umfasst ein doppelwandiges Gehäuse 101 mit einer Außenhülle 102 und einer Innenhülle 103 zur Aufnahme mindestens eines elektrochemischen Energiespeichers 108(1), 108(n), einen Wärmesensor 106, einen ersten Temperatursensor 107 und einen zweiten Temperatursensor 109. Durch die Außenhülle 102 und die Innenhülle 103 wird ein Zwischenraum 104 gebildet, welcher idealerweise einen anderen Druck als den Umgebungsdruck des Überwachungssystems und/oder ein in dem Zwischenraum 104 herrschenden Druck aufweist, beispielsweise wird bei einem Herstellungsverfahren des Gehäuses 101 ein Vakuum in dem Zwischenraum 104 zur Isolation erzeugt. Mittels des Wärmesensor 106 wird eine zwischen der Außenhülle 102 und der Innenhülle 103 Wärmestrahlung fortlaufend überwacht und mittels der Temperatursensoren 107, 109 ein Wärmefluss zwischen der Innenhülle 103 und der Außenhülle 102 ermittelt. Anhand der erfassten Wärmestrahlung und des Wärmeflusses wird eine Beschädigung der Außenhülle 102 und/oder der Innenhülle 103 erkannt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann eine Standzeit des elektrochemischen Energiespeichersystems ohne Zuführung von Energie zum Heizen der elektrochemischen Energiespeicher 108(1), 108(n) anhand der erfassten Wärmestrahlung und/oder des Wärmeflusses abgeschätzt werden.
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Das Gehäuse 101 kann mehrteilig ausgeführt sein, beispielsweise umfasst das Gehäuse 101 einen Grundkörper, der eine Außenfläche und eine Innenfläche umfasst, sowie ein Gehäuseteil, das eine Außenfläche und eine Innenfläche umfasst, die miteinander formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbindbar sind und der durch die Außenflächen und Innenflächen gebildete Zwischenraum gasdicht ist und beispielsweise evakuiert werden kann.
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Ein Steuergerät 105 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, der Wärmesensor 106, der Temperatursensor 107 und/oder der Temperatursensor 109 kommunizieren kabelgebunden und/oder kabellos.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Überwachungssystem weitere Sensoren, beispielsweise einen in dem Zwischenraum 104 angeordneten Drucksensor und/oder Gassensor, beispielsweise zur Detektion von Gas, das aufgrund einer Beschädigung der Innenhülle 103 und/oder der Außenhülle 102 in den Zwischenraum 104 eindringt.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichersystems. In einem Schritt 200 wird das Verfahren gestartet, beispielsweise bei einer Inbetriebnahme des Energiespeichersystems 100.
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In einem Schritt 201 wird eine Wärmestrahlung zwischen der Außenhülle 102 und der Innenhülle 103 eines doppelwandigen Gehäuses 101 erfasst.
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In einem Schritt 202 wird die erfasste Wärmestrahlung mit einem vorgegebenen Temperaturbereich, beispielsweise eine minimal und eine maximal zulässige Temperatur, verglichen. Liegt die erfasste Wärmestrahlung außerhalb des Temperaturbereichs, wird in Schritt 203 eine Beschädigung der Innenhülle 103 und/oder der Außenhülle 102 erkannt.
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In einem Schritt 204 wird eine Temperatur in einem durch die Innenhülle 103 gebildeten Raums und/oder des mindestens einen elektrochemischen Energiespeichers 108(1), 108(n) erfasst. In einem Schritt 205 wird eine Temperatur der Außenhülle erfasst.
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In einem Schritt 206 wird ein Wärmefluss zwischen der Innenhülle 103 und der Außenhülle 102 ermittelt. Liegt der ermittelte Wärmefluss außerhalb einen vorgegebenen Temperaturbereichs, so wird in Schritt 203 eine Beschädigung der Innenhülle 103 und/oder der Außenhülle 102 erkannt.
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In einem Schritt 207 wird ein Signal erzeugt, wenn in Schritt 203 eine Beschädigung der Innenhülle 103 und/oder der Außenhülle 102 erkannt wird.
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In einer alternativen Ausführungsform können für die Erkennung in Schritt 203 die erfasste Wärmestrahlung und die erfassten Temperaturen mathematisch miteinander verknüpft und/oder weitere physikalische Eigenschaften, beispielsweise ein Außendruck, Innendruck und/oder ein Entladestrom, des Energiespeichersystems 101 berücksichtigt werden.
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3 zeigt einen ersten beispielhaften Temperaturverlauf. Auf der Abszissenachse ist ein zeitlicher Verlauf und auf der Ordinatenachse eine Temperatur aufgetragen. Zu Zeitpunkten ta1, ta2, ta3 werden aktuelle Temperaturen Ta, Ti der Außenhülle 102 und der Innenhülle 103 erfasst. Liegt ein anhand der erfassten Temperaturen Ta, Ti ermittelter Wärmefluss innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs Tdiffmin, Tdiffmax liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Beschädigung der Außenhülle 102 und/oder der Innenhülle 103 vor.
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Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Außenhülle 102 beschädigt, wodurch ein vorherrschender Druck im Zwischenraum 104 beispielsweise abnimmt und wärmere Luft in den Zwischenraum 104 strömt. Dadurch erhöht sich die Temperatur Ta der Außenhülle, wodurch die Temperaturdifferenz abnimmt. Zum Zeitpunkt ta2 liegt die Temperaturdifferenz innerhalb des vorgegebene Temperaturbereichs. Erst zum Zeitpunkt ta3 unterschreitet diese die minimale Temperaturdifferenz Tdiffmin. Die Erfassung eines Wärmeflusses mittels der Temperatursensoren 107, 109 eignet sich besonders, um einen langsamen Änderung der Temperaturen zu erkennen, beispielsweise bei einer geringen Beschädigung der Außenhülle 102.
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4 zeigt einen zweiten beispielhaften Temperaturverlauf. Auf der Abszissenachse ist ein zeitlicher Verlauf und auf der Ordinatenachse eine Temperatur aufgetragen. Mittels des Sensors 107 wird eine Temperatur Ta der Außenhülle 102 und mittels des Sensors 109 wird eine Temperatur Ti der Innenhülle 103 erfasst. Eine Umgebungstemperatur Tu des Energiespeichersystems ist niedriger als die Temperatur der Außenhülle 102.
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Zu einem Zeitpunkt t1 wird die Außenhülle 102 beschädigt, wodurch ein vorherrschender Druck im Zwischenraum 104 schlagartig abnimmt und kalte Luft in den Zwischenraum 104 strömt. Dadurch nimmt eine Temperatur Tz im Zwischenraum rasch ab, wodurch als Folge auch die Temperaturen Ta der Außenhülle 102 und die Ti der Innenhülle 103 abnehmen. Zu einem Zeitpunkt t3 muss Energie zum Heizen zugeführt werden, wodurch die Temperatur der Innenhülle 103 wieder steigt. Durch den Wärmesensor wird zu einem Zeitpunkt t2 die Beschädigung erkannt und ein Benutzer des Energiespeichersystems kann gewarnt werden. Die Erfassung einer Wärmestrahlung im Zwischenraum 104 mittels des Wärmesensors 106 eignet sich besonders, um eine schlagartige Änderung der Temperaturen zu erkennen.