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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.
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Stand der Technik
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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.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 203 456 A1 offenbart ein galvanisches Element mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss, wobei das galvanische Element einen akustischen Oberflächenwellensensor zum Erfassen zumindest eines Parameters des galvanischen Elements aufweist.
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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 Energiespeicher, so dass die am ohmschen Widerstand der Zellen, in den Zellen generierte, Verlustwärme nicht oder unzureichend abgeführt werden kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen mindestens einen Sensor, insbesondere einen Druckwellenwandler und/oder einen elektromechanischen Sensor, zur Erfassung von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen und eine Detektionseinheit zur Detektion von Partikeln mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einer Lichtsenke, welche dazu geeignet ist Lichtemission der Lichtquelle zu empfangen, umfasst.
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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.
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Dazu nutzt das System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen neben mindestens einem Sensor zur Erfassung von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen, die beispielsweise bei einem thermischen Durchgehen des Energiespeichers eine veränderte Charakteristik aufweisen, ein optisches System um Rauch, der bei beginnenden Bränden entsteht, und/oder Ausgasungen von elektrochemischen Zellen zu detektieren.
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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.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen umfasst ferner eine Überwachungseinheit, die mit dem mindestens einen Sensor zur Erfassung erster Signale, und/oder mit der Detektionseinheit zur Erfassung zweiter Signale elektrisch, optisch und/oder kabellos verbunden ist.
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Durch eine zentrale Auswertung zur Detektion von kritischen Ereignissen elektrischer Energiespeicher und/oder der mindestens einen elektrochemischen Zelle wird eine schnelle Reaktionszeit sichergestellt.
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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.
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Das System umfasst ferner einen weiteren Sensor, insbesondere 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.
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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.
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Die ersten Signale und/oder die zweiten Signale werden elektrisch, optisch und/oder kabellos zwischen der Detektionseinheit, dem Sensor und/oder dem weiteren Sensor, und der Überwachungseinheit übertragen.
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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.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von kritischen Betriebszuständen eines elektrochemischen Energiespeichers mit mindestens einer elektrochemischen Zelle umfasst folgende Schritte:
- - Fortlaufendes Erfassen von Druckänderungen und/oder mechanischen Schwingungen mittels mindestens eines Sensors;
- - Vergleichen einer Amplitude und/oder Frequenz der erfassten Druckänderungen und/oder mechanischen Schwingungen mit vorgegebenen Schwellenwerten und/oder Vergleichen der erfassten Druckänderungen und/oder mechanischen Schwingungen mit vorgegebenen Muster zum Erkennen eines vom Normalbetrieb abweichenden Betriebszustands;
- - Einschalten einer Lichtquelle mindestens einer Detektionseinheit, wenn ein abweichender Betriebszustand erkannt wird;
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgende Schritte, wenn ein abweichender Betriebszustand erkannt wird:
- - Erfassen einer Lichtmenge mittels einer Lichtsenke der Detektionseinheit;
- - Erkennen eines abnormen Betriebszustands in Abhängigkeit der erfassten Lichtmenge.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von kritischen Betriebszuständen führt in Abhängigkeit des vom Normalbetrieb abweichenden Betriebszustand und/oder 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 Energiespeicher; und/oder
- - Auslösen von mindestens einem Hauptschütz zum Trennen eines Stromfluss durch den Energiespeicher und/oder die mindestens eine Zelle; und/oder
- - Auslösen von pyrotechnischen Trennelementen zum Trennen eines Stromfluss 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.
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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.
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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.
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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 prismatische Zelle mit einer Sollbruchstelle im Zellgehäuse gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Energiespeichers mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen;
- 3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 4 eine schematische Darstellung von Signalverläufen.
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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 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.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Energiespeichers mit einem System zur Detektion von kritischen Betriebszuständen. Der Energiespeicher 200 umfasst einen ersten Anschlusspol 201 und einen zweiten Anschlusspol 202, die mit einer Mehrzahl von in Serie und/oder parallelgeschalteten elektrochemischen Zellen 204(11), 204(1m), 204(nm) elektrisch verbunden sind. Mindestens ein luftgekühltes Thermomanagementsystem 203(1), 203(n) und/oder mindestens ein Thermomanagementsystem 203(1), 203(n) mit einem flüssigen Medium umfasst die Zellen 204(11), 204(1m), 204(nm) zum Kühlen und/oder zum Heizen der Zellen 204(11), 204(1m), 204(nm). Eine Vielzahl der Zellen 204(11), 204(1m), 204(nm) umfasst einen Sensor 205(11), 205(1m), 205(nm) zur Erfassung von Druckwellen und/oder mechanischen Schwingungen, beispielsweise einen Druckwellenwandler, ein Mikrofon, ein Hydrohone und/oder einen elektromechanischen Sensor. Das System umfasst weiter mindestens eine Detektionseinheit 206 zur Detektion von Partikeln mit mindestens einer Lichtquelle 206(a) und mindestens einer Lichtsenke 206(b).
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In Schritt S300 werden Druckänderungen und/oder mechanische Schwingungen mittels mindestens eines Sensor 205(11), 205(1m), 205(nm) erfasst.
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In Schritt S301 werden Amplitude und/oder Frequenz der erfassten Druckänderungen und/oder mechanischen Schwingungen mit vorgegebenen Schwellenwerten und/oder mit vorgegebenen Muster zum Erkennen eines vom Normalbetrieb abweichenden Betriebszustands verglichen. Werden im Wesentlichen keine Abweichungen erkannt, wird das Verfahren in Schritt S300 fortgesetzt.
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Wen ein abweichender Betriebszustand in Schritt S301 erkannt wird, dann wird mindestens eine Lichtquelle 206a mindestens einer Detektionseinheit eingeschaltet.
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In Schritt S302 wird fortlaufend eine Lichtmenge des durch die Lichtquelle emittierten Lichts durch eine Detektionseinheit 206b erfasst.
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In Schritt S303 wird die erfasste Lichtmenge mit vorgegebenen Schwellenwerten verglichen. Unterschreitet die erfasste Lichtmenge keine Schwellenwerte, wird das Verfahren in Schritt S302 fortgesetzt.
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Unterschreitet die erfasste Lichtmenge einen Schwellenwert, beispielsweise einen Schwellenwert für eine aktuelle Lastanforderung und Umgebungsbedingungen des Energiespeichers, dann liegt ein abnormer Betriebszustand vor. In Schritt S304 wird eine Warnmeldung abgesetzt, ein Thermomanagementsystem des Energiespeichers angesteuert, ein Hauptschütz und/oder pyrotechnische Trennelemente zum Trennen eines Stromflusses durch den Energiespeicher ausgelöst, mindestens eine Zelle mittels einer Schnellentladevorrichtung entladen und/oder eine Löschvorrichtung des Energiespeichers ausgelöst.
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Da praktisch jeder Rauchentwicklung und/oder jedem Brand einer elektrochemischen Zelle ein Bersten des Berstventils vorausgeht, kann eine Zeitspanne zwischen dem Bersten des Berstventils und einem Brand für weitere Maßnahmen genutzt werden, den elektrochemischen Energiespeicher in einen sicheren Zustand zu überführen. So können beispielsweise einzelne Zellen elektrisch von einem Stromkreis getrennt, eine Schnellentladung der Zellen durchgeführt und/oder eine Löschvorrichtung ausgelöst werden. Weiter kann die Zeitspanne genutzt werden, ein Batteriemanagementsystem in einen kritischen Überwachungsmodus zu versetzen, bei dem beispielsweise eine Abtastrate für sicherheitskritische Sensoren und/oder eine Priorität einer Datenübertragung erhöht wird.
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Weiter kann durch einen Vergleich der Amplitude und/oder Frequenz von erfassten Druckänderungen und/oder mechanischen Schwingungen mit Schwellenwerten und/oder vorgegeben Mustern ein Defekt in einem Thermomanagementsystem des Energiespeichers, beispielsweise aufgrund eines Lecks und/oder einer defekten Förderpumpe, erkannt werden. Die vorgegebenen Muster sind beispielsweise Geräuschprofile, die anhand von Erfahrungswerten erstellt werden und/oder durch eine Nachbildung des Energiespeichers anhand von mathematischen Modelle erstellt werden, wodurch Alterungseffekte und/oder bauvariantenspezifische Bedingungen berücksichtigt werden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung von Signalverläufen. 4a zeigt einen beispielhaften Druckverlauf in einem Energiespeicher, bei dem mindestens eine elektrochemische Energiespeicherzelle thermisch durchgeht und ein Berstventil zu einem Zeitpunkt t0 platzt, wodurch der Druck sprunghaft ansteigt und zu einem Zeitpunkt t1 ein Maximum erreicht.
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4b zeigt einen beispielhaften Verlauf einer erfassten Auslenkung, beispielsweise eines Druckwellenwandlers. Bis zu einem Zeitpunkt t2 werden Auslenkungen erfasst, die einen Normalbetrieb wiederspiegeln. Zu einem Zeitpunkt t2 geht mindestens eine elektrochemische Zelle thermisch durch, wodurch das Berstventil der elektrochemischen Zelle platzt und eine charakteristische Auslenkung zu einem Zeitpunkt t3 erzeugt.
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4c zeigt einen beispielhaften Verlauf einer erfassten Lichtmenge. Bis zu einem Zeitpunkt t4 wird eine durch die Lichtquelle ausgesendete Lichtmenge im Wesentlichen vollständig von der Lichtsenke empfangen. Zu dem Zeitpunkt t4 fällt die empfangene Lichtmenge rasch bis zu einem Zeitpunkt t5 ab, beispielsweise aufgrund von Partikeln oder austretendem Gas.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012203456 A1 [0003]
