DE102017219025A1 - System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen elektrischer Energiespeicher - Google Patents

System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen elektrischer Energiespeicher Download PDF

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Abstract

System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen elektrischer Energiespeicher mit mindestens einer elektrochemischen Zelle, umfassend:- eine Detektionseinheit zur Detektion von Partikeln mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einer Lichtsenke, welche dazu geeignet ist Lichtemission der Lichtquelle zu empfangen;- mindestens einen weiteren Sensor zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften des Energiespeichers und/oder der Zelle;- mindestens einen Sensor zur Erfassung von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen elektrischer Energiespeicher mit mindestens einer elektrochemischen Zelle, einem Verfahren zur Detektion von kritischen Betriebszuständen sowie einer Verwendung des Systems in elektrischen Energiespeichern gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Energiespeicher von elektrisch betriebenen Fahrzeugen, sowohl Hybrid, als auch Elektrofahrzeuge, bestehen aus einer Anordnung und elektrischen Verschaltung von elektrochemischen Zellen, beispielsweise Lithium-Ionen Zellen. Des Weiteren beinhaltet der Energiespeicher zumeist eine Steuerungs- bzw. eine Regelungseinrichtung, welche dazu dient Zellspannungen, Zelltemperaturen und einen Gesamtstrom zu messen und aus diesen Messgrößen modellbasiert eine maximale elektrische Leistung bzw. die elektrischen Ströme vorherzusagen, welche ein elektrischer Antrieb in den nächsten Zeitschritten von der Batterie abfordern darf. Diese maximale Leistung wird dem Antrieb direkt beispielsweise über ein Bus-System übermittelt, beispielsweise mittels CAN-Bus.
  • Die Druckschrift US 2015/0303723 offenbart ein Batteriemanagementsystem umfassend eine Mehrzahl von optischen Sensoren, die in einer elektrochemischen Batterie angeordnet sind. Jeder Sensor ist dazu eingerichtet Licht zu empfangen und in Abhängigkeit des empfangenen Lichts und einer Gasmenge innerhalb der Batterie Licht zu senden. Ein Detektor detektiert das gesendete Licht und erzeugt in Abhängigkeit davon ein elektrisches Signal, mittels der das Batteriemanagementsystem einen Zustand der Batterie ermittelt.
  • Die Druckschrift US 2014/0152264 offenbart eine Wandlerzelle mit zumindest einer insbesondere wiederaufladbaren Elektrodenbaugruppe, welche vorgesehen ist, zumindest zeitweise elektrische Energie insbesondere einem Verbraucher zur Verfügung zu stellen, welche zumindest zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität aufweist, mit zumindest einer Stromleiteinrichtung, welche vorgesehen ist, mit einer der Elektroden der Elektrodenbaugruppe elektrisch, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden zu sein, mit einem Zellgehäuse mit einem ersten Gehäuseteil, wobei das erste Gehäuseteil vorgesehen ist, die Elektrodenbaugruppe zumindest bereichsweise zu umschließen.
  • Es gibt Fehlerfälle in elektrochemischen Energiespeichern oder elektrochemischen Zellen, welche zu gefährlichen Situationen für Mensch und Umwelt führen können. Diese können beispielsweise sein:
    • - Ein Fahrzeugunfall, welcher sich durch eine mechanische Schockwirkung oder Deformation auf das Innenleben der Zellen auswirkt, im Inneren der Zelle eingeschlossene Partikel, beispielsweise durch Unreinheiten im Produktionsprozess verursacht oder das Wachstum von Dendriten im Inneren der Zelle, beispielsweise durch Ladevorgänge nach einer Tiefentladung der Zelle führen zu einem Kurzschluss innerhalb der betroffenen Zelle;
    • - Ein externer Kurzschluss, beispielsweise außerhalb der Zellen in dem Energiespeicher;
    • - Eine Überladung des Energiespeichers und damit der einzelnen Zellen mit elektrischer Energie;
    • - Eine Tiefentladung des Energiespeichers, die wiederum zu Dendritenwachstum innerhalb der Zellen führen kann;
    • - Eine Entladung mit einer außerhalb der Spezifikation des Energiespeichers liegenden Entladeleistung;
    • - Ein externes Aufheizen des Batteriepacks und damit der Zellen, beispielsweise durch schlechte Wärmeabfuhr;
    • - Ein Ausfall eines Kühlsystems des Energiespeichers, so dass die am ohmschen Widerstand der Zellen, in den Zellen generierte, Verlustwärme nicht oder unzureichend abgeführt werden kann.
  • Alle diese Fehlerfälle führen zu einem Anstieg der Temperatur innerhalb der Zelle. Der Temperaturanstieg innerhalb der Zelle erhöht die Reaktivität der Zellchemie und verstärkt damit wiederum den schädlichen Effekt der zur Erwärmung der Zelle führt, beispielsweise sinkt der ohmsche Widerstand der Zelle durch die höhere Temperatur und es fließt ein noch höherer elektrischer Strom bei einem Kurzschluss.
  • Weiter weist die Zelle einen Temperaturbereich auf, der zu einem sogenannten „Thermal Runaway“, also einem thermischen Durchgehen führt. Das bedeutet, wenn die Zelle ein bestimmtes Temperaturniveau erreicht hat, dann kann der sich selbst verstärkende, wärmeproduzierende Prozess nicht mehr gestoppt werden.
  • Durch diese Fehlerfälle kann der Zellinnendruck stark ansteigen, wodurch eine Sollbruchstelle an der elektrochemischen Zelle, beispielsweise ein Berstfenster, eine Berstscheibe, zerreißt und einen weiteren Druckanstieg im Zellinneren verhindern soll. Bei weiterer Erwärmung der Zelle fängt die Zelle an, durch diese Öffnung auszugasen, wodurch Stoffe gasförmig ausgeworfen werden und Verbindungen entstehen können, welche hochentzündlich sind. Wenn der Prozess weiter fortschreitet, kann dies zu einer Entzündung des Gases führen und der brennende Energiespeicher dadurch zu einer Gefahr für Mensch und Umwelt werden.
  • Ein Energiespeichersystem umfasst Verbindungselemente, welche den elektrischen Stromfluss zu einem Energienetz, beispielsweise ein Fahrzeugbordnetz, ermöglichen. Diese sind zum Beispiel Zellverbinder, Modulverbinder, Stromschienen, Kabel. Kommt es zu einem Bruch einer solchen Verbindungsleitung bzw. zu einem Kontaktverlust im Hochvoltpfad unter elektrischer Last, dann besteht Gefahr eines Brandes. Durch Lichtbogenbildung erwärmt sich die Stelle eines Kontaktverlusts in sehr kurzer Zeit um ein Vielfaches, mit der Folge, dass diese metallischen Verbindungen augenblicklich schmelzen können und flüssiges Metall in die Umgebung geschleudert werden und dort Brände auslösen können.
  • Des Weiteren enthält ein Energiespeichersystem Kabelbäume, die Spannungsmessungen, Strommessgeräte, Temperaturmessungselemente und gegebenenfalls weitere Sensoren elektromechanisch kontaktieren. Diese Kabelbäume enthalten auch Ansteuerleitungen von schaltbaren Elemente wie Hauptschütze, Hauptrelais, Vorladerelais und weiterer schaltbarer Baugruppen. Ebenfalls sind die Kommunikationsbusleitungen dort untergebracht.
  • Ein Kurzschluss in diesen Kabelbäumen, beispielsweise durch gealterte Kabelisolation, kann ebenfalls aufgrund augenblicklicher starker Erwärmung zu einem Brand der Isolation des Kabels und damit zu einem Brand des Energiespeichers führen. Kurzschlüsse auf Platinen der Steuergeräte wirken sich in gleicher Weise aus. Auch Kabelschwelbrände oder sich entzündende Elektronik durch Verunreinigung mit Salzwasser können zu einem Brand führen. Ein lokaler Brand innerhalb des Energiespeichers kann auch die Zellen erhitzen.
  • Nach dem Stand der Technik können mittels Temperatursensoren Brände in Energiespeichersystemen detektiert werden, jedoch vergeht je nach Ort des Brandherdes und dessen räumlichen Abstand zum nächsten Temperaturmesssensor viel Zeit, die für Sicherungsmaßnahmen fehlt, beispielweise ein Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit abzubremsen, das Fahrzeug zu verlassen und einen Löschversuch zu unternehmen.
  • Die mittels Temperatursensoren gemessenen Zelltemperaturen können von einem Batteriemanagementsystem ausgewertet und hinsichtlich einer sich anbahnenden kritischen thermischen Situation im Inneren der Zellen eines Energiespeichers bewertet werden. Temperaturen innerhalb von elektrochemischen Zellen werden beispielsweise an den Zellverbindern gemessen oder an einem Punkt des Zellgehäuses. Eine thermische Anbindung dieser Temperatursensoren ist zum Teil stark entkoppelt von realen Temperaturen im Kern der Zelle. Bei einer sehr schnellen Erwärmung von Zellen kann es aufgrund der thermischen Kapazitäten und Widerstände von einem Ort der Erwärmung bis zu einem Messpunkt des Temperatursensors sehr lange dauern, bis dieser Temperatursensor einen Temperaturanstieg misst. Thermische Widerstände zwischen einem Ort der Erwärmung und einem Temperatursensor sowie eine Anbindung des Temperatursensors an die Umgebung bewirken, dass die gemessene Temperatur unterhalb der realen Temperatur liegen kann. Dadurch kann mittels dieser Temperatursensoren ein Brand an einem anderen Ort im Energiespeicher nicht zuverlässig detektiert werden, da eine Messbereichsobergrenze der Temperatursensoren zumeist bei ca. 100°C liegt. Bei einem Brand können weiter die Kabel zum Sensor zuerst zerstört werden, bevor der Temperatursensor einen Temperaturanstieg misst.
  • Temperaturmessungen im Energiespeicher können unter Umständen erst eine Warnung auslösen, wenn Zellen seit längerer Zeit entgasen und ein thermisches Durchgehen kurz bevorsteht, nachdem beispielsweise ein größerer Brandherd in einer Elektronik des Energiespeichers entstanden ist.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen eine Detektionseinheit zur Detektion von Partikeln mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einer Lichtsenke, welche dazu geeignet ist Lichtemission der Lichtquelle zu empfangen, mindestens einen weiteren Sensor zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften des Energiespeichers und/oder der Zelle, und mindestens einen Sensor, insbesondere einen Druckwellenwandler und/oder einen elektromechanischen Sensor zur Erfassung von Druckwellen, beispielweise Schallwellen, oder einen elektroakustischen Sensor zur Erfassung von mechanischen Schwingungen, insbesondere innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers umfasst.
  • Dadurch können sicherheitskritische Zustände elektrischer Energiespeicher, die zu einer Entgasung, einem Batteriebrand, einer Batterieexplosion und/oder zu einem Fahrzeugbrand führen können, rechtzeitig detektieren werden, so dass Benutzer der Energiespeicher, beispielsweise ein Fahrer eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, gewarnt wird und ausreichend Zeit hat, sich in Sicherheit zu bringen.
  • Dazu nutzt das System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen ein optisches System um Rauch, der bei beginnenden Bränden entsteht, und/oder Ausgasungen von elektrochemischen Zellen zu detektieren.
  • Vorteilhafterweise werden durch das erfindungsgemäße System frühzeitig kritische Ereignisse von elektrischen Energiespeichern und/oder der mindestens einen elektrochemischen Zelle detektiert, wodurch ein Zeitraum zwischen der Detektion und einer möglichen Folgereaktion deutlich vergrößert wird, wodurch die Folgereaktion möglicherweise noch verhindert werden und/oder die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt deutlich stark reduziert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen umfasst ferner eine Überwachungseinheit, die mit der Detektionseinheit, zur Erfassung erster Signale der Detektionseinheit, und/oder mit dem Sensor, zur Erfassung zweiter Signale, und/oder mit dem weiteren Sensor, zur Erfassung dritter Signale, elektrisch, optisch und/oder kabellos verbunden ist.
  • Durch eine zentrale Auswertung zur Detektion von kritischen Ereignissen elektrischer Energiespeicher und/oder der mindestens einen elektrochemischen Zelle wird eine schnelle Reaktionszeit sichergestellt.
  • Die Detektionseinheit umfasst zumindest teilweise zwischen der Lichtquelle und der Lichtsenke mindestens einen Lichtleiter, beispielsweise transparente Bauteile wie Fasern, Röhren oder Stäbe, und/oder mindestens einen Übertragungskanal. Dadurch kann beispielsweise die Lichtsenke geometrisch von der Lichtquelle entfernt verbaut werden, wodurch bauvariantenspezifische Anpassungen mit dem System vergleichsweise einfach umgesetzt werden können.
  • Der weitere Sensor umfasst einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur, einen Spannungssensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung des Energiespeichers und/oder der Zelle, einen Stromsensor zur Erfassung eines durch den Energiespeicher und/oder die Zelle fließenden elektrischen Stroms, einen Luftdrucksensor, einen Gassensor und/oder einen Beschleunigungssensor zur Erkennung eines Aufpralls.
  • Dadurch können vorteilhafterweise weitere Einflussfaktoren, die kritische Folgereaktionen des Energiespeichersystems zur Folge haben können, berücksichtigt werden. So kann beispielsweise bei Erkennung eines möglichen Aufpralls der elektrische Energiespeicher und/oder die mindestens eine elektrochemische Zelle von einem Stromkreis getrennt werden.
  • Die ersten Signale, die zweiten Signale und/oder die dritten Signale werden elektrisch, optisch und/oder kabellos zwischen der Detektionseinheit, dem Sensor und/oder dem weiteren Sensor, und der Überwachungseinheit übertragen werden.
  • Dadurch eine elektrische Übertragung können beispielsweise Sicherheitsanforderungen erfüllt werden, durch eine optische Übertragung können Leitungsverluste reduziert werden und durch eine optische Übertragung räumlich getrennte Geometrien eines Einbauorts der Überwachungseinheit, der Detektionseinheit und/oder den Sensoren gewählt werden. Durch eine kabellose Übertragung kann ein Gewicht des Systems reduziert werden und ein beispielsweises modulares System ohne Verkabelungsaufwand umgesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von kritischen Betriebszuständen eines elektrochemischen Energiespeichers mit mindestens einer elektrochemischen Zelle umfasst folgende Schritte:
    • - Einschalten einer Lichtquelle einer Detektionseinheit;
    • - Erfassen einer Lichtmenge mittels einer Lichtsenke der Detektionseinheit;
    • - Erfassen von physikalischen Eigenschaften mittels eines weiteren Sensors des elektrochemischen Energiespeichers und/oder der mindestens einen elektrochemischen Zelle;
    • - Erfassen von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen mittels eines Sensors;
    • - Erkennen eines abnormen Betriebszustands in Abhängigkeit der erfassten Druckwellen, mechanischen Schwingungen, physikalischen Eigenschaften und/oder der erfassten Lichtmenge.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von kritischen Betriebszuständen führt in Abhängigkeit des abnormen Betriebszustands mindestens einer der folgenden Verfahrensschritte aus:
    • - Absetzen einer Warnmeldung, insbesondere an außerhalb des Systems zur Detektion von kritischen Betriebszuständen angeordnete Steuergeräte, und/oder Senden eines Signals mittels einer Kommunikationsschnittstelle, wobei das Signal elektrisch, optisch und/oder kabellos versendet wird; und/oder
    • - Ansteuern eines Thermomanagementsystems des Energiespeichers, insbesondere eines Kühlsystems zum Entgegenwirken einer exothermen Reaktion des Energiespeichers; und/oder
    • - Auslösen von mindestens einem Hauptschütz zum Trennen eines Stromflusses durch den Energiespeicher und/oder die mindestens eine Zelle; und/oder
    • - Auslösen von pyrotechnischen Trennelementen zum Trennen eines Stromflusses durch den Energiespeicher und/oder die mindestens eine Zelle; und/oder
    • - Entladen der Zelle mittels einer Schnellentladevorrichtung; und/oder
    • - Auslösen einer Löschvorrichtung des Energiespeichers und/oder der elektrochemischen Zelle.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Kommunikation über die Kommunikationsschnittstelle mittels einem CAN-Bus und/oder einem kabellosen Übertragungskanal, wobei Warnmeldungen über eine Mensch-Maschine-Schnittelle, beispielsweise ein Display, akustisch, beispielsweise eine Hupe, eine Alarmsirene, optisch, beispielsweise ein Blinker, ein Scheinwerfer, haptisch, beispielsweise durch Vibration, und/oder mittels einer Funkwarnmeldung, beispielsweise über ein Mobilfunknetz, erfolgen.
  • Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen elektrischer 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.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine prismatische Zelle mit einer Sollbruchstelle im Zellgehäuse gemäß dem Stand der Technik;
    • 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Energiespeichersystems mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen;
    • 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Energiespeichersystems mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen;
    • 4 einen ersten schematischen Aufbau einer Detektionseinheit;
    • 5 einen zweiten schematischen Aufbau einer Detektionseinheit;
    • 6 eine erste Ausführungsform einer Anordnung von Lichtquellen und Lichtsenken einer Detektionseinheit;
    • 7 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung von Lichtquellen und Lichtsenken einer Detektionseinheit;
    • 8 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Anordnung von Lichtquellen und Lichtsenken einer Detektionseinheit
    • 9 einen Energiespeicher mit einem Entgasungskanal gemäß dem Stand der Technik;
    • 10 eine Ausführungsform eines Energiespeichers mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
  • 1 zeigt eine prismatische Zelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle, mit einer Sollbruchstelle im Zellgehäuse gemäß dem Stand der Technik. Bei Überschreitung eines durch die Sollbruchstelle definierten Innendrucks der Zelle, platzt diese auf und die Zelle entgast, wodurch ein thermisches Durchgehen verhindert werden kann. Da aber ein Energiespeicher häufig an schwer zugänglichen Einbauorten verbaut ist, wird ein kritischer Betriebszustand von einem Benutzer des Energiespeichers mit hoher Wahrscheinlichkeit erst sehr spät wahrgenommen.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Energiespeichersystems mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen. Das Energiespeichersystem 200, beispielsweise ein Hochvoltbatteriesystem, umfasst ein Energiespeichergehäuse 201, eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern 207(1), 207(n), welche eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 208(12), 208(23), 208(nm) umfassen, eine Vorrichtung 202 zur Temperierung der elektrochemischen Energiespeicher 207(1), 207(n) und/oder der elektrochemischen Zellen 208(12), 208(23), 208(nm), beispielsweise ein Kühlsystem, eine Überwachungseinheit, die eine erste elektronische Schaltung 203 und eine Mehrzahl von zweiten elektronischen Schaltungen 212(1), 212(n) umfasst, welche die Zellen 208(12), 208(23), 208(nm) überwachen, beispielsweise eine Überwachung elektrischer Spannungen und/oder Temperaturen einzelner Zellen 208(12), 208(23), 208(nm) und Ladungsausgleichsvorgänge zwischen den Energiespeichern 207(1), 207(n) und/oder Zellen 208(12), 208(23), 208(nm) durchführt, wobei die zweiten Schaltungen 212(1), 212(n) mit den Energiespeichern 207(1), 207(n) und/oder den Zellen 208(12), 208(23), 208(nm) und der ersten Schaltung 203 elektrisch, optisch und/oder kabellos verbunden sind, beispielsweise mittels CAN-Bus.
  • Weiter umfasst das Energiespeichersystem 200 eine Detektionseinheit 204, welche in der gezeigten Ausführungsform mit der ersten Schaltung 203 elektrisch, optisch und/oder kabellos verbunden ist, eine erste Schnittstelle 205, beispielsweise eine Hochvolt-Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle 206, beispielsweise eine Niedervolt-Schnittstelle, eine Mehrzahl von elektrischen und/oder elektromechanischen Schalter 209, beispielsweise als Schütz oder Relais ausgeführt, zum elektrischen Trennen oder elektrischen Verbinden der Energiespeicher 207(1), 207(n) von der Schnittstelle 205 durch die erste elektronische Schaltung 203, eine Mehrzahl von Schmelzsicherungen, als zum elektrischen Trennen der Energiespeicher 207(1), 207(n) von der Schnittstelle 205 in Fall von Überstrom oder Kurzschlüssen, einen Sensor 211 zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften der Energiespeicher 207(1), 207(n) und/oder der Zellen 208(12), 208(23), 208(nm), beispielsweise einen Stromsensor, sowie einen Sensor 213, insbesondere einen Druckwellenwandler und/oder einen elektromechanischen Sensor zur Erfassung von Druckwellen, oder einen elektroakustischen Sensor zur Erfassung von mechanischen Schwingungen, insbesondere innerhalb des Gehäuse 201 des elektrochemischen Energiespeichersystems 200 und/oder innerhalb der Energiespeicher 207(1), 207(n).
  • Eine Mehrzahl von Zellen 208(12), 208(nm), beispielsweise Hochenergiezellen oder Rundzellen vom Typ 18650 oder 21700, sind in einem Energiespeicher 207(1), 207(n) elektrisch parallel geschaltet bzw. schaltbar, die Energiespeicher 207(1), 207(n) sind elektrisch in Serie geschaltet bzw. schaltbar.
  • Die erste elektronische Schaltung 203 hat eine Mehrzahl von Schnittstellen, die mit der Niedervolt-Schnittstelle 206 elektrisch, optisch und/oder kabellos verbindbar sind, beispielsweise eine 12V-Versorgungsleitung für die erste Schaltung 203, einen Kommunikationsbus zur Kommunikation mit der ersten Schaltung 203, eine Anbindung der ersten Schaltung 203 an ein Massepotential, beispielsweise eines Fahrzeugs, weitere Schnittstellen wie Signalleitungen, Steuerungsleitungen, Diagnoseleitungen, getrennt abgesicherte Versorgungsleitungen für eine Energieversorgung der elektrischen und/oder elektromechanischen Schalter 209.
  • Vorteilhafterweise ist die erste Schaltung 203 und/oder die zweite Schaltung 204 sowie die Detektionsvorrichtung 204 dauerhaft aktiviert, beispielsweise durch eine 12V-Dauerplus-Versorgungsleitung in einem Fahrzeug, so dass eine fortlaufende und/oder zyklische Überwachung des Energiespeichersystems 200, der Energiespeicher 207(1), 207(nm) und/oder der elektrochemischen Zellen 232(1), 212(n) gewährleistet ist.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Energiespeichersystems mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen. Das Energiespeichersystem 300, beispielsweise ein Hochvoltbatteriesystem, umfasst ein Energiespeichergehäuse 201, eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern 207(1), welche eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 208(nm) umfassen, eine Vorrichtung 202 zur Temperierung der elektrochemischen Energiespeicher 207(1) und/oder der elektrochemischen Zellen 208(nm), beispielsweise ein Kühlsystem, eine Überwachungseinheit, die eine erste elektronische Schaltung 303 und eine Mehrzahl von zweiten elektronischen Schaltungen 312(1), 312(n) umfasst, welche die Zellen 208(nm) überwachen, beispielsweise eine Überwachung elektrischer Spannungen und/oder Temperaturen einzelner Zellen 208(12), 208(23), 208(nm) und Ladungsausgleichsvorgänge zwischen den Energiespeichern 207(1) und/oder Zellen 208(nm) durchführt, wobei die zweiten Schaltungen 312(1), 312(n) mit den Energiespeichern 207(1) und/oder den Zellen 208(nm) und der ersten Schaltung 203 elektrisch, optisch und/oder kabellos verbunden sind, beispielsweise mittels CAN-Bus.
  • Das Energiespeichersystem 300 umfasst weiter mindestens eine Detektionseinheit 304(1), 304(n), welche in der gezeigten Ausführungsform mit je einer der zweiten Schaltungen 312(1), 312(n) elektrisch, optisch und/oder kabellos verbunden ist, wobei die Detektionseinheiten 304(1), 304(n) jeweils mindestens eine Lichtquelle, beispielsweise eine Leuchtdiode und/oder einen Laser, und mindestens eine Lichtsenke, beispielsweise einen Lichtsensor, umfassen. Über die zweiten Schaltungen 312(1), 312(n) wird die Lichtquelle einer jeweiligen Detektionseinheit 304(1), 304(n) mit elektrischer Energie gespeist, wodurch eine nahezu konstante Emission von Photonen durch die Lichtquelle erreicht wird. Die jeweilige Detektionseinheit 304(1), 304(n) wandelt das eintreffende Licht in elektrische Signale, wodurch ermittelt werden kann, wie viel Photonen an der Lichtsenke eintreffen. Dringt nun in die Luftstrecke zwischen Lichtquelle und Lichtsenke Rauch ein, dann wird ein Teil der Photonen daran gehindert den Sensor zu erreichen. Das repräsentative elektrische Signal sinkt in seiner Amplitude, was wiederrum die Detektion von Rauch, gasförmigen und/oder staubförmigen Partikeln ermöglicht. Bei Detektion von Rauch, gasförmigen und/oder staubförmigen Partikeln kann von einem Batteriemanagementsystem Alarm ausgelöst und beispielsweise ein Signal an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, beispielsweise einen Fahrzeugblinker, eine Hupe, ein Blinklicht, einen Funknotruf, an ein Display eines Fahrzeugs, gesendet und angezeigt, wodurch beispielsweise eine Feuerwehr alarmiert werden kann.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist, dass ein Brand in dem Energiespeichersystem 300 durch eine Raucherzeugung oder eine Entgasung der elektrochemischen Zellen 208(12), 208(nm) und deren abgesonderte gasförmige bzw. staubförmigen Partikel unmittelbar und zeitnah gegenüber dem Stand der Technik detektiert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass Schwelbrände in Kabeln oder auf elektronischen Platinen, beispielsweise aufgrund von Kontamination mit salzhaltigem Wasser, vor einem Ausbrechen eines Feuers Rauch abgeben und eine Detektion dieser Vorgänge frühzeitig ermöglicht wird.
  • Weiter umfasst das Energiespeichersystem 300 mindestens einen Sensor 213 zur Erfassung von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen, insbesondere innerhalb des Gehäuses 201 des elektrochemischen Energiespeichersystems 300 und/oder innerhalb der Energiespeicher 207(n).
  • Sofern das Energiespeichersystem 300 mit Luft gekühlt wird, ist ein Einbau der Detektionseinheiten D in einem Teil eines Belüftungssystems des Energiespeichersystems 300 vorteilhaft, welches auch außerhalb des eigentlichen Energiespeichergehäuses 201 liegen kann.
  • 4 zeigt einen ersten schematischen Aufbau einer Detektionseinheit. Die Detektionseinheit umfasst eine elektronische Schaltung 401a und eine Lichtquelle 401b, eine elektronische Schaltung 402a und eine Lichtsenke 402b, wobei die Lichtquelle 401b und die Lichtsenke derart positioniert sind, dass ein emittiertes Licht der Lichtquelle 401b im Wesentlichen auf die Lichtsenke 402b auftrifft, sofern kein Rauch und/oder Gasgemisch zwischen den der Lichtquelle 401b und der Lichtsenke 402b vorhanden ist. Die elektronische Schaltung 401a ist über elektrische Versorgungsleitungen 405a und Signalleitungen 405b mit einem Steuergerät 403a verbunden. Die elektronische Schaltung 402a ist über Versorgungsleitungen 406a und Signalleitungen 406b ebenfalls mit dem Steuergerät 403a verbunden.
  • 5 zeigt einen zweiten schematischen Aufbau einer Detektionseinheit. Eine Lichtquelle 501b und eine Lichtsenke 502b sind unmittelbar an ein Steuergerät 503a angeschlossen und von diesem betrieben. Eine Auswertung erfolgt in dem Steuergerät 503a. Dadurch entfallen in Vorteilhafterweise elektronische Schaltungen zur Versorgung und zum Betreiben der Lichtquelle 501b und Lichtsenke 502b, wodurch ein benötigter Bauraum für die Detektionseinheit verkleinert wird.
  • 6 zeigt eine erste Ausführungsform einer Anordnung von Lichtquellen und Lichtsenken einer Detektionseinheit. Um eine Genauigkeit der Detektion von kritischen Betriebszuständen zu erhöhen werden mehrere Paare von Lichtquellen 601b und Lichtsenken 602b verwendet. In der ersten Ausführungsform wird die Güte der Detektion durch mehrere Lichtquellen 601b auf einer kreisförmigen Anordnung, sowie mehrere Lichtsenken 602b auf einer dazugehörigen kreisförmigen Anordnung, verbessert. Die beiden Anordnungen werden einander gegenüber zur Detektion positioniert.
  • 7 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Anordnung von Lichtquellen und Lichtsenken einer Detektionseinheit. Um eine Genauigkeit der Detektion von kritischen Betriebszuständen zu erhöhen werden mehrere Paare von Lichtquellen 701b und Lichtsenken 702b verwendet. In der zweiten Ausführungsform wird die Güte der Detektion durch mehrere Lichtquellen 701b auf einer rechteckigen Anordnung, sowie mehrere Lichtsenken 702b auf einer dazugehörigen rechteckigen Anordnung, verbessert. Durch einen formschlüssigen Einbau der rechteckigen Anordnung kann beispielsweise eine Diffusion von Gas zwischen Anordnung und Einbauort verhindert werden. Die beiden Anordnungen werden einander gegenüber zur Detektion positioniert.
  • 8 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Anordnung von Lichtquellen und Lichtsenken einer Detektionseinheit. Ein weiterer Aspekt bei einer Verwendung von mehr als einem Lichtquelle-Lichtsenke Paar ist, dass sichergestellt werden soll, dass die Lichtquellen nur ihre zugeordnete Lichtsenke bestrahlen und nicht die benachbarten Lichtsenken. Dies wird durch die dritte Ausführungsform Anordnung erreicht, welche beispielhaft die rechteckige Anordnung aus der zweiten Ausführungsform gemäß 7 aufgreift. Eine Anordnung aus mehreren hohlen Kanälen 808 wird zwischen eine Platte, welche Lichtquellen trägt, und eine Platte welche Lichtsenken trägt, eingebracht und zentriert. An mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten eines durch die Anordnung entstehenden Kanals sind Öffnungen 807 angebracht, durch die Rauch, Staub und/oder Gas eindringen kann, so dass ein Brand- bzw. Entgasungsfall durch die Detektionseinheit zuverlässig detektiert wird.
  • In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen können die Kanäle auch eine andere geometrisch geeignete Grundfläche, beispielsweise eckig oder zylinderförmig, aufgebaut sein.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst mindestens ein Teilstück zwischen Lichtquelle und Lichtsenke eine Glasfaser bzw. einen Lichtwellenleiter. Dadurch kann ein Detektionsort geometrisch weit von einem Einbauort der Lichtquelle und der Lichtsenke entfernt sein.
  • Um einer Störung der Detektionseinheit durch Kondensation und/oder Betauungseffekte bei extremen Temperaturwechseln vorzubeugen, kann eine Heizung der Lichtquelle und/oder der Lichtsenke vorgesehen sein. Dadurch wird ein Beschlagen derer Oberflächen unter klimatischen Extrembedingungen verhindert und damit wird eine potentielle eine Fehlfunktion vermieden.
  • 9 zeigt einen Energiespeicher mit einem Entgasungskanal gemäß dem Stand der Technik. Der Energiespeicher 900 umfasst eine Vielzahl an prismatischen Zellen 100 mit elektrischen Anschlusspolen 101, 102. An einer Oberseite der Zellen 100 befinden sich Sollbruchstellen 103, die bei einem starken Anstieg des Zellinnendrucks nach außen aufplatzen. Darüber ist ein Entgasungskanal 901 angeordnet, der diverse Formen aufweisen kann. So kann dieser auch geschlossen ausgeführt sein und mit einem Anschluss für ein weiteres Rohr- bzw. Schlauchsystem versehen sein. Die Unterseite des Entgasungskanals 901 umfasst Öffnungen, welche über den Sollbruchstellen 103 der Zellen 100 liegen. Wenn eine Zelle 100 öffnet und die Phase der Zellentgasung startet, dann wird das Gas darüber kanalisiert abgeführt und in den Energiespeicher 900 oder in die Umgebung des Energiespeichers 900 geleitet.
  • 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Energiespeichers mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Detektionseinheit D des Systems in einem Entgasungskanal 1001 des Energiespeichers angebracht.
  • Die Verwendung in dem Entgasungskanal 1001 hat den Vorteil, dass von den geborstenen Sollbruchstellen 103 ausgehenden Rauch-, Staubund/oder Gaswolken in nächster Nähe detektiert werden können, da die Detektionseinheit D direkt im Weg der Entgasung sitzt.
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2015/0303723 [0003]
    • US 2014/0152264 [0004]

Claims (8)

  1. System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen elektrischer Energiespeicher (207(1), 207(n)) mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)), umfassend: - Mindestens eine Detektionseinheit (204, 304(1), 304(n)) zur Detektion von Partikeln mit mindestens einer Lichtquelle (401b, 501b) und mindestens einer Lichtsenke (402b, 502b), welche dazu geeignet ist Lichtemission der Lichtquelle (401b, 501b) zu empfangen; - mindestens einen weiteren Sensor (211) zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften des Energiespeichers (207(1), 207(n)) und/oder der Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)); - mindestens einen Sensor (213) zur Erfassung von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen;
  2. System nach Anspruch 1, ferner umfassend: - eine Überwachungseinheit (203, 303, 312(1), 312(n))), die mit der Detektionseinheit (204, 304(1), 304(n)), zur Erfassung erster Signale der Detektionseinheit (204, 304(1), 304(n)), und/oder mit dem Sensor (213), zur Erfassung zweiter Signale, und/oder mit dem weiteren Sensor (211), zur Erfassung dritter Signale, verbunden ist.
  3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektionseinheit (204) zumindest teilweise zwischen der Lichtquelle (401b, 501b) und der Lichtsenke (402b, 502b) mindestens einen Lichtleiter und/oder mindestens einen Übertragungskanal (808) umfasst.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der weitere Sensor (213) einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur, einen Spannungssensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung des Energiespeichers (207(1), 207(n)) und/oder der Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)), einen Stromsensor (211) zur Erfassung eines durch den Energiespeicher (207(1), 207(n)) und/oder die Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)) fließenden elektrischen Stroms, und/oder einen Beschleunigungssensor zur Erkennung eines Aufpralls umfasst.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Signale, die zweiten Signale und/oder die dritten Signale elektrisch, optisch und/oder kabellos zwischen der Detektionseinheit (204), dem Sensor (213) und/oder dem weiteren Sensor (211), und der Überwachungseinheit (203, 303, 312(1), 312(n))) übertragen werden.
  6. Verfahren zur Detektion von kritischen Betriebszuständen eines elektrochemischen Energiespeichers (207(1), 207(n)) mit mindestens einer elektrochemischen Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)) mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend folgende Schritte: - Einschalten einer Lichtquelle (401b, 501b) einer Detektionseinheit (204); - Erfassen einer Lichtmenge mittels einer Lichtsenke (402b, 502b) der Detektionseinheit (204); - Erfassen von physikalischen Eigenschaften mittels eines weiteren Sensors (211) des elektrochemischen Energiespeichers (207(1), 207(n)) und/oder der mindestens einen elektrochemischen Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)); - Erfassen von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen mittels eines Sensors (213), insbesondere eines elektromechanischen und/oder elektroakustischen Sensors; - Erkennen eines abnormen Betriebszustands des elektrochemischen Energiespeichers (207(1), 207(n)) und/oder der mindestens einen elektrochemischen Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)) in Abhängigkeit der erfassten Druckwellen, mechanischen Schwingungen, physikalischen Eigenschaften und/oder der erfassten Lichtmenge.
  7. Verfahren zur Detektion von kritischen Betriebszuständen gemäß Anspruch 6, wobei In Abhängigkeit des abnormen Betriebszustands mindestens einer der folgenden Verfahrensschritte ausgeführt wird: - Absetzen einer Warnmeldung, insbesondere an außerhalb des Systems zur Detektion von kritischen Betriebszuständen angeordnete Steuergeräte, und/oder Senden eines Signals mittels einer Kommunikationsschnittstelle, wobei das Signal elektrisch, optisch und/oder kabellos versendet wird; und/oder - Ansteuern eines Thermomanagementsystems des Energiespeichers (207(1), 207(n)), insbesondere eines Kühlsystems zum Entgegenwirken einer exothermen Reaktion des Energiespeichers; und/oder - Auslösen von mindestens einem Hauptschütz zum Trennen eines Stromflusses durch den Energiespeicher (207(1), 207(n)) und/oder die mindestens eine Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)); und/oder - Auslösen von pyrotechnischen Trennelementen zum Trennen eines Stromflusses durch den Energiespeicher (207(1), 207(n)) und/oder die mindestens eine Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)); und/oder - Entladen der Zelle mittels einer Schnellentladevorrichtung; und/oder - Auslösen einer Löschvorrichtung des Energiespeichers (207(1), 207(n)) und/oder der elektrochemischen Zelle (208(12), 208(23), 208(nm)).
  8. Verwendung eines Systems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in elektrischen Energiespeichern 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
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