DE102018215655B4

DE102018215655B4 - Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Dichtigkeit eines Batteriegehäuses sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018215655B4
Application number: DE102018215655.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2038-09-15
Also published as: DE102018215655A1

Abstract

Hochvoltbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug mit- einer Vielzahl von Batteriemodulen (4);- einem Batteriegehäuse (2) mit einem Innenraum (3) zum Aufnehmen der Batteriemodule (4);- einem in einer Gehäusewand (5) des Batteriegehäuses (2) angeordneten Druckausgleichselement (7) für einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum (3) und einer Umgebung (6) der Hochvoltbatterie (1); und- einer Überwachungsvorrichtung (8), welche dazu ausgelegt ist, eine Dichtigkeit des Batteriegehäuses (2) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, eine aktuelle Änderung eines Umgebungsdrucks (pa) sowie ein von einer Dynamik des Druckausgleichs abhängiges Signal (12, 12', 13, 13', 14, 14') zu erfassen, und anhand des Signals (12, 12', 13, 13', 14, 14') und anhand eines Referenzdynamiksignals, welches für die aktuelle Änderung des Umgebungsdrucks (pa) sowie für eine vorbestimmte Durchflussrate des Druckausgleichselementes (7) definiert ist, eine veränderte Dichtigkeit des Batteriegehäuses (2) zu erkennen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Batteriemodulen, einem Batteriegehäuse mit einem Innenraum zum Aufnehmen der Batteriemodule, einem in einer Gehäusewand des Batteriegehäuses angeordneten Druckausgleichselement für einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum und einer Umgebung der Hochvoltbatterie und einer Überwachungsvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Dichtigkeit des Batteriegehäuses zu überwachen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltenergiespeicher für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Solche Hochvoltbatterien umfassen in der Regel eine Vielzahl von Batteriemodulen, welche in einem Innenraum bzw. Aufnahmeraum eines Batteriegehäuses angeordnet und dort verschaltet sind. Dabei ist es üblich, in einer Gehäusewand des Batteriegehäuses ein Druckausgleichselement anzuordnen, welches beispielsweise als eine fluiddichte, atmungsaktive Membran ausgebildet ist. So können einerseits kein Wasser und Schmutz aus einer Umgebung des Kraftfahrzeugs in das Batteriegehäuse eindringen und andererseits kann ein Druckausgleich, beispielsweise bei Berg- und Talfahrten des Kraftfahrzeugs, zwischen dem Innenraum und der Umgebung des Kraftfahrzeugs erreicht werden.
Bei einem für die Hochvoltbatterie kritischen Ereignis, beispielsweise bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs, kann es vorkommen, dass das Batteriegehäuse beschädigt, beispielsweise undicht, wird. So kann beispielsweise durch Risse im Batteriegehäuse Wasser aus der Umgebung in den Innenraum des Batteriegehäuses eintreten, wodurch sowohl die Lebensdauer von Komponenten der Hochvoltbatterie als auch eine Sicherheit der Hochvoltbatterie beeinträchtigt werden. Zur Dichtigkeitsüberwachung ist es beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt, bei gasdichten Batteriegehäusen einen konstant eingestellten Druck in dem Innenraum zu überwachen. Bei einem Batteriegehäuse mit Druckausgleichselement ist jedoch eine Dichtigkeitsüberprüfung des Batteriegehäuses mittels eines Drucksensors, welcher einen konstanten Druck in dem Innenraum des Batteriegehäuses überwacht, nicht möglich. Beispielsweise offenbart die US 2018/0 062 133 A1 ein Batteriepack mit einer Vielzahl von Zellen, einer Kammer, die an die Vielzahl von Zellen angrenzt, und einem Drucksensor in der Kammer, um einen Innendruck der Kammer zu erfassen.
Dazu schlägt die DE 10 2015 002 573 A1 ein Verfahren zum Prüfen einer Dichtigkeit eines Batteriegehäuses im Betrieb eines Kraftfahrzeugs vor, bei welchem ein Inneres des Gehäuses mit Druck beaufschlagt wird und mindestens ein Parameter zum Prüfen des beaufschlagten Drucks erfasst wird. Dabei wird mittels eines Aktuators ein vorgegebener Überdruck im Inneren des Gehäuses erzeugt. Beispielsweise kann der Aktuator Umgebungsluft durch eine für den Druckausgleich vorgesehene Membran in das Gehäuseinnere fördern. Dazu werden der Aktuator und die Membran zueinander abgedichtet, so dass der Überdruck im Gehäuseinneren während des Verfahrens erhalten bleibt. Gemäß dem Stand der Technik muss also zur Überprüfung der Dichtigkeit der Aktuator bereitgestellt werden, wodurch das Verfahren sehr aufwändig und kostenintensiv ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Undichtigkeit eines Batteriegehäuses einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug besonders einfach und zuverlässig erfasst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochvoltbatterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl von Batteriemodulen, einem Batteriegehäuse mit einem Innenraum zum Aufnehmen der Batteriemodule, einem in einer Gehäusewand des Batteriegehäuses angeordneten Druckausgleichselement für einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum und einer Umgebung der Hochvoltbatterie, und einer Überwachungsvorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Dichtigkeit des Batteriegehäuses zu überwachen. Darüber hinaus ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, eine aktuelle Änderung eines Umgebungsdrucks sowie ein von einer Dynamik des Druckausgleichs abhängiges Signal zu erfassen, und anhand des Signals sowie anhand eines Referenzdynamiksignals, welches für die aktuelle Änderung des Umgebungsdrucks sowie für eine vorbestimmte Durchflussrate des Druckausgleichselementes definiert ist, eine veränderte Dichtigkeit des Batteriegehäuses zu erkennen.
Die Hochvoltbatterie ist insbesondere eine Traktionsbatterie für das als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildete Kraftfahrzeug. Die Hochvoltbatterie umfasst eine Vielzahl von Batteriemodulen. Die Batteriemodule weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, welche beispielsweise als prismatische Batteriezellen ausgebildet, zu Zellstapeln gestapelt und miteinander verschaltet sein können. Diese Batteriemodule sind in dem Innenraum bzw. Aufnahmeraum des Batteriegehäuses angeordnet und dort ebenfalls verschaltet. Das Batteriegehäuse weist dabei mehrere Gehäusewände auf, welche den Innenraum umschließen. In einer der Gehäusewände ist das Druckausgleichselement angeordnet, welches gemeinsam mit den Gehäusewänden ein Eindringen von Wasser und Schmutz aus der Umgebung in den Gehäuseinnenraum verhindert, welches aber einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum und der Umgebung zulässt. Dazu ist das Druckausgleichselement beispielsweise als eine atmungsaktive, wasserdichte Membran ausgebildet. Das Druckausgleichselement weist in einem funktionstüchtigen Zustand eine definierte Durchflussrate auf, durch welche bei einem dichten Batteriegehäuse die von einer Änderung eines Umgebungsdrucks abhängige Dynamik des Druckausgleichs einen definierten Referenzverlauf aufweist.
Um nun eine veränderte Dichtigkeit des Batteriegehäuses erkennen zu können, weist die Hochvoltbatterie die Überwachungsvorrichtung auf. Insbesondere ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, als die veränderte Dichtigkeit eine Undichtigkeit des Batteriegehäuses und/oder einen Belag auf dem Druckausgleichselement zu erkennen. Beispielsweise kann die Undichtigkeit des Batteriegehäuses aus Rissen in den Gehäusewänden oder in dem Druckausgleichselement resultieren. Der Belag kann beispielsweise ein Schmutzbelag oder ein Eisbelag auf dem Druckausgleichselement sein.
Zur Überwachung der Dichtigkeit des Batteriegehäuses wertet die Überwachungsvorrichtung bei Auftreten und Erkennen einer Änderung des Umgebungsdrucks die Dynamik des aufgrund der Änderung des Umgebungsdrucks auftretenden Druckausgleichs aus. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass die Dynamik des Druckausgleichs für den Fall eines funktionstüchtigen, unverschmutzten Druckausgleichselementes und eines dichten Batteriegehäuses einen definierten Verlauf aufweist, welcher abhängig ist von der Änderung des Umgebungsdruckes. In diesem Fall lässt das Druckausgleichselement aufgrund seiner vorgegebenen Durchflussrate nämlich eine definierte Menge an Gas zwischen dem Innenraum und der Umgebung passieren, sodass der Druck zwischen Innenraum und Umgebung nach einer bestimmten Zeit ausgeglichen ist. Für den Fall, dass das Batteriegehäuse undicht ist, verändert sich diese Dynamik des Druckausgleichs, da das Gas auch durch die undichten Stellen, beispielsweise die Risse, in dem Batteriegehäuse passieren kann. Für den Fall, dass das Druckausgleichselement einen Belag aufweist, verändert sich die Durchflussrate des Druckausgleichselementes und damit ebenfalls die Dynamik des Druckausgleichs.
Daher ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Signal zu erfassen, welches die Dynamik des Druckausgleichs bei der aktuellen Änderung des Umgebungsdruckes beschreibt. Dieses Signal kann beispielsweise mit dem vorbestimmten Referenzdynamiksignal verglichen werden. Bei einer Abweichung zwischen dem Signal und dem Referenzdynamiksignal, welche beispielsweise größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, kann die Überwachungsvorrichtung die veränderte Dichtigkeit erkennen. Wenn die Überwachungsvorrichtung die veränderte Dichtigkeit erkannt hat, kann sie beispielsweise ein Warnsignal generieren, welches an den Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben werden kann. So kann dieser zeitnah eine Werkstatt zum Überprüfen der Hochvoltbatterie aufsuchen.
Aus dem Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass ohne großen Aufwand, insbesondere mittels bereits in der Hochvoltbatterie vorhandener Sensorik, die Undichtigkeit des Batteriegehäuses erkannt werden kann. Insbesondere muss die Hochvoltbatterie nicht auf aufwändige und kostenintensive Weise mit einem Aktuator ausgestattet werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, anhand des Signals sowie anhand der Änderung des Umgebungsdrucks eine Zeitkonstante für den Druckausgleich zu bestimmen und mit einer anhand des Referenzdynamiksignals bestimmten Referenzzeitkonstante für den Druckausgleich zu vergleichen. Insbesondere ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, die Undichtigkeit des Batteriegehäuses zu erkennen, falls die bestimmte Zeitkonstante die Referenzzeitkonstante um mehr als einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet und/oder den Belag auf dem Druckausgleichselement zu erkennen, falls die bestimmte Zeitkonstante die Referenzzeitkonstante um mehr als einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet. Die Zeitkonstante ist ein Maß für die Zeit, in welcher es zu dem Druckausgleich kommt. Sie ergibt sich aus einem Ersatzschaltbild der Hochvoltbatterie, welches das Druckausgleichselement sowie die Gehäusewand über einen Durchflusswiderstand (R) und den Innenraum bzw. ein Innenvolumen des Batteriegehäuses über eine Kapazität (C) beschreibt. Die Zeitkonstante ist dabei T=R*C. Über diese Zeitkonstante ist die aufgrund des Belags veränderte Dynamik des Druckausgleichs unterscheidbar von der aufgrund der Undichtigkeit veränderten Dynamik des Druckausgleichs. Die Überwachungsvorrichtung kann also die veränderte Dichtigkeit charakterisieren.
Wenn beispielsweise das Batteriegehäuse und/oder das Druckausgleichselement Risse aufweisen, so vergrößert sich die Durchflussrate bzw. verringert sich der Durchflusswiderstand für das zwischen dem Innenraum und der Umgebung ausgetauschte Gas. Dadurch verringert sich die Zeitkonstante. Sobald diese verringerte Zeitkonstante die Referenzzeitkonstante um mehr als den ersten Schwellwert unterschreitet, so kann diese Unterschreitung als undichtes Batteriegehäuse gewertet werden. Wenn beispielsweise das Druckausgleichselement von einem Schmutzbelag bedeckt ist, so verringert sich die Durchflussrate bzw. erhöht sich der Durchflusswiderstand für das zwischen dem Innenraum und der Umgebung ausgetauschte Gas. Dadurch erhöht sich die Zeitkonstante. Sobald diese erhöhte Zeitkonstante die Referenzzeitkonstante um mehr als den zweiten Schwellwert überschreitet, so kann diese Überschreitung als verschmutztes Druckausgleichselement gewertet werden. Die Überwachungsvorrichtung kann diese Information beispielsweise so hinterlegen, dass die Hochvoltbatterie in der Werkstatt schnell und einfach wieder in einen funktionstüchtigen Zustand versetzt werden kann, beispielsweise in dem das Batteriegehäuse wieder abgedichtet oder das Druckausgleichselement von dem Belag befreit wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, als das Signal einen zeitabhängigen Verlauf eines Differenzdrucks zwischen dem Innenraum und der Umgebung während des Druckausgleichs zu bestimmen und anhand des zeitabhängigen Verlaufs des Differenzdrucks sowie der Änderung des Umgebungsdrucks die Zeitkonstante zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Differenzdrucksignal von einer Erfassungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung erfasst und an eine Auswerteeinrichtung der Überwachungsvorrichtung, welche beispielsweise in ein Batteriesteuergerät integriert sein kann, zur Auswertung übermittelt werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Erfassungseinrichtung ein Innendrucksignal in dem Innenraum des Batteriegehäuses erfasst und die Auswerteeinrichtung aus dem Innendrucksignal und dem Umgebungsdrucksignal das Differenzdrucksignal bestimmt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung zur Erfassung des Verlaufs des Differenzdrucks einen Differenzdrucksensor aufweist. Der Differenzdrucksensor kann beispielsweise ein Sensor in Form von einem MEMS-(mikroelektromechanisches System) Bauteil sein, welcher für die Dichtigkeitsüberwachung an der Hochvoltbatterie angeordnet ist. Der Differenzdrucksensor ermittelt den Differenzdruckverlauf zwischen Innenraum und Umgebung über die Zeit, welcher die Dynamik des Druckausgleichs beschreibt bzw. charakterisiert. Aus diesem Differenzdruckverlauf sowie aus der erfassten Änderung des Umgebungsdrucks kann die Zeitkonstante bestimmt werden und mit der Referenzzeitkonstante verglichen werden, welche die Dynamik des Druckausgleichs bei dichtem Batteriegehäuse und nicht verschmutztem Druckausgleichselement beschreibt.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement als eine atmungsaktive elastische Membran ausgebildet ist und die Überwachungsvorrichtung einen Dehnungsmessstreifen aufweist, welcher an der Membran angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, einen zeitabhängigen, von dem Verlauf des Differenzdrucks abhängigen Verlauf einer Verformung der Membran während des Druckausgleichs zu erfassen. Die Überwachungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, aus dem Verlauf der Verformung den Verlauf des Differenzdrucks zu bestimmen. Hier wird die Membran selbst als Differenzdrucksensor funktionalisiert bzw. verwendet. Während des Druckausgleichs biegt sich diese Membran durch, was mittels des Dehnungsmessstreifens erkannt werden kann. Dieser Verformungsverlauf kann in den Differenzdruckverlauf umgerechnet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, die Änderung des Umgebungsdrucks anhand eines Umgebungsdrucksignals zu bestimmen, wobei die Überwachungsvorrichtung dafür dazu ausgelegt ist, das von einem fahrzeugseitigen Drucksensor erfasste Umgebungsdrucksignal zu empfangen und/oder Daten eines fahrzeugexternen Anbieters zu empfangen und anhand der Daten das Umgebungsdrucksignal zu bestimmen. Beispielsweise kann außen am Batteriegehäuse oder an einem anderen Montageort am Kraftfahrzeug der Drucksensor, beispielsweise ein Absolutdrucksensor, angeordnet sein, welcher das Umgebungsdrucksignal erfasst. Dieses Umgebungsdrucksignal wird der Überwachungsvorrichtung übermittelt, welche anhand des Umgebungsdrucksignals die Änderung des Umgebungsdrucks erkennt und daraufhin die Dynamik des Druckausgleichs während der Änderung des Umgebungsdrucks auswertet. Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungsvorrichtung die fahrzeugextern ermittelten Daten empfangen und anhand der Daten das Außendrucksignal bestimmen. Solche Daten können beispielsweise Wetterdaten am aktuellen Ort des Kraftfahrzeugs sein, welche der Überwachungsvorrichtung drahtlos, beispielsweise über das Mobilfunknetz, übertragen werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Überwachungsvorrichtung ausgelegt, einen Wert des Differenzdrucks in einem stationären Bereich des zeitabhängigen Verlaufs des Differenzdrucks zu bestimmen und die Zeitkonstante als das Verhältnis zwischen dem Wert des Differenzdrucks im stationären Bereich und einer Änderungsrate des Umgebungsdrucks zu bestimmen. Das erfasste Differenzdrucksignal wird also zunächst analysiert und nach dem stationären Bereich durchsucht. Der stationäre Bereich beschreibt einen Teilverlauf des Differenzdrucksignals, in welchem sich der Differenzdruck über die Zeit höchstens um einen vorbestimmten Grenzwert ändert. Aus diesem Bereich wird der stationäre Differenzdruckwert bestimmt und normiert, indem er durch die Änderungsrate des Umgebungsdrucks, also durch die zeitliche Ableitung des Umgebungsdrucks, geteilt wird. Dieser erhaltene skalare Wert entspricht der Zeitkonstante und kann besonders einfach mit der vorbestimmten skalaren Referenzzeitkonstante verglichen werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung einen Beobachter aufweist, welcher dazu ausgelegt ist, anhand des erfassten zeitabhängigen Verlaufs des Differenzdrucks sowie anhand der erfassten Änderung des Umgebungsdrucks die Zeitkonstante zu bestimmen. Der Beobachter ist ein regelungstechnisches System, welches ein Modell der Hochvoltbatterie nachbildet und die Zeitkonstante mit einem Regler basierend auf den gemessenen bzw. bestimmten Größen, also basierend auf der Änderung des Umgebungsdrucks und basierend auf dem Differenzdruckverlauf, nachführt.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie oder eine vorteilhafte Ausführungsform davon. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie;
2 eine Kennlinie eines Umgebungsdruckverlaufs;
3 Kennlinien von Innendruckverläufen; und
4 Kennlinien von Differenzdruckverläufen.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
1 zeigt eine Hochvoltbatterie 1 für ein hier nicht gezeigtes Kraftfahrzeug. Die Hochvoltbatterie 1 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs sein. Die Hochvoltbatterie 1 weist ein Batteriegehäuse 2 auf, in dessen Innenraum 3 eine Vielzahl von Batteriemodulen 4 angeordnet ist. Das Batteriegehäuse 2 weist eine mehrere Gehäusewände 5 auf, welche den Innenraum 3 gegenüber einer Umgebung 6 abdichten, sodass kein Wasser und kein Schmutz aus der Umgebung 6 in den Innenraum 3 eintreten kann. In einer der Gehäusewände 5 ist außerdem ein Druckausgleichselement 7 angeordnet, welches einen Gasaustausch zwischen dem Innenraum 3 und der Umgebung 6 zulässt. So kann beispielsweise bei einer Bergfahrt des Kraftfahrzeugs, bei welcher sich ein Umgebungsdruck in der Umgebung 6 verändert, ein Druckausgleich zwischen dem Innenraum 3 und der Umgebung 6 stattfinden. Das Druckausgleichselement 7 kann beispielsweise eine atmungsaktive Membran sein.
Die Hochvoltbatterie 1 weist außerdem eine Überwachungsvorrichtung 8 auf, welche dazu ausgelegt ist, eine veränderte Dichtigkeit des Batteriegehäuses 2 zu erkennen. Die veränderte Dichtigkeit kann beispielsweise aus einem Riss 9 in einer der Gehäusewände 5 oder einem Schmutzbelag 10 auf dem Druckausgleichselement 7 resultieren. Das Druckausgleichselement 7 weist dabei eine definierte Durchflussrate bzw. einen definierten Durchflusswiderstand auf, sodass, bei einem dichten Batteriegehäuse 2 und einem nicht verschmutzten Druckausgleichselement 7, eine Dynamik des Druckausgleichs einen definierten, für die aktuelle Änderung des Umgebungsdrucks, typischen Verlauf bzw. Referenzverlauf aufweist. Durch einen solchen Riss 9 bzw. durch einen solchen Schmutzbelag 10 wird die Dynamik des Druckausgleichs bei einer Veränderung des Umgebungsdrucks im Vergleich zum Referenzverlauf verändert.
In 2 ist ein Verlauf 11 des Umgebungsdrucks p_a über die Zeit t gezeigt. Dabei sinkt der Umgebungsdruck p_a ab einem Zeitpunkt t₀ von einem ersten Wert p_a,0 auf einen Wert p_a,1 zu einem Zeitpunkt t₁ . Der Verlauf des Umgebungsdrucks p_a kann beispielsweise von der Überwachungsvorrichtung 8 erfasst werden. Der Umgebungsdruck p_a kann sich beispielsweise aufgrund einer Bergfahrt oder Talfahrt des Kraftfahrzeugs oder aufgrund des Wetters ändern. Beispielsweise kann der Verlauf 11 des Umgebungsdrucks p_a von einem hier nicht gezeigten Absolutdrucksensor der Überwachungsvorrichtung 8 außerhalb des Batteriegehäuses 2 erfasst werden. Die Änderungsrate des Außendrucks p_a bestimmt sich hier zu $\frac{d p_{a}}{d t} = \frac{p_{a,1} - p_{a,0}}{t_{1} - t_{0}} .$
In 3 sind verschiedene Verläufe 12, 13, 14 eines Innendrucks p_i über die Zeit t dargestellt. In 4 sind verschiedene Verläufe 12', 13', 14' eines Differenzdrucks Δ_p = p_α - p_i über die Zeit t dargestellt. Die Verläufe 12, 12' beschreiben den Verlauf des Innendrucks p_i in dem Innenraum 3 des Batteriegehäuses 2 und den Verlauf des Differenzdrucks Δp für den Fall, dass das Batteriegehäuse 2 dicht ist und der Druckausgleich nur über das unverschmutzte Druckausgleichselement 7 erfolgen kann. Die Verläufe 12, 12' des Innendrucks p_i und des Differenzdrucks Δp charakterisieren hier Referenzverläufe des Druckausgleichs und bilden hier Referenzdynamiksignale. Die Verläufe 13, 13' beschreiben den Verlauf des Innendrucks p_i in dem Innenraum 3 des Batteriegehäuses 2 und den Verlauf des Differenzdrucks Δp für den Fall, dass das Batteriegehäuse 2 undicht ist und beispielsweise einen Riss 9 aufweist. Die Verläufe 14, 14' beschreiben den Verlauf des Innendrucks p_i in dem Innenraum 3 des Batteriegehäuses 2 und den Verlauf des Differenzdrucks Δp für den Fall, dass das Druckausgleichselement 7 verschmutzt ist und einen Belag 10 aufweist.
Zum Erfassen der Verläufe 12', 13', 14' des Differenzdrucks Δp kann die Überwachungsvorrichtung 8 beispielsweise einen separaten Differenzdrucksensor 15 aufweisen. Auch kann das Druckausgleichselement 7 als Differenzdrucksensor verwendet werden, indem eine Verformung des Druckausgleichselementes 7, beispielsweise eine Durchbiegung der Membran, während des Druckausgleichs erfasst wird. Dazu kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen 16 auf dem Druckausgleichselement 7 angeordnet werden, welcher einen mit dem Differenzdruckverlauf korrespondierenden Verformungsverlauf erfasst.
Zum Erkennen der veränderten Dichtigkeit des Batteriegehäuses 2 kann einer Auswerteeinrichtung 17 der Überwachungsvorrichtung 8 der erfasste Verlauf 12', 13', 14' des Differenzdrucks Δp zugeführt werden. Die Auswerteeinrichtung 17 erkennt in dem übermittelten Verlauf 12', 13', 14' einen stationären Bereich 18 und bestimmt einen Wert des Differenzdrucks Δp aus diesem stationären Bereich 18. Der Wert des Differenzdrucks Δp aus dem stationären Bereich 18 wird normiert, indem er durch die Änderungsrate $\frac{d p_{a}}{d t}$
das Umgebungsdrucks p_a geteilt wird, Das Ergebnis dieser Division entspricht einer skalaren Zeitkonstante, welche eine Zeitdauer des Druckausgleichs zwischen dem Innenraum 3 und der Umgebung 6 charakterisiert. Diese Zeitdauer und damit die Zeitkonstante verändern sich, wenn das Druckausgleichselement 7 mit dem Belag 10 bedeckt ist oder wenn eine der Gehäusewände 5 einen Riss 9 aufweist, also das Batteriegehäuse 2 undicht ist.
Die Zeitkonstante kann dann mit einer Referenzzeitkonstante verglichen werden, welche hier als der Quotient aus dem Wert des Differenzdrucks Δp aus dem stationären Bereich 18 von Verlauf 12' und der Änderungsrate $\frac{d p_{a}}{d t}$
des Umgebungsdrucks pa bestimmt wird. Wenn die Zeitkonstante um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert größer als die Referenzzeitkonstante ist, so kann davon ausgegangen werden, dass das Druckausgleichselement 7 verschmutzt ist. Wenn die Zeitkonstante um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert kleiner als die Referenzzeitkonstante ist, so kann davon ausgegangen werden, dass das Batteriegehäuse 2 undicht ist.
Sobald die veränderte Dichtigkeit des Batteriegehäuses 2 erkannt wurde, kann die Überwachungsvorrichtung 8 beispielsweise ein Warnsignal für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs generieren.
Bezugszeichenliste

1: Hochvoltbatterie
2: Batteriegehäuse
3: Innenraum
4: Batteriemodul
5: Gehäusewand
6: Umgebung
7: Druckausgleichselement
8: Überwachungsvorrichtung
9: Riss
10: Schmutzbelag
11, 12, 12', 13, 13', 14, 14': Druckverläufe
15: Differenzdrucksensor
16: Dehnungsmessstreifen
17: Auswerteeinrichtung
18: stationärer Bereich
pa: Umgebungsdruck
pa,0, pa,1: Druckwerte
pi: Innendruck
Δp: Differenzdruck
t: Zeit
t0, t1: Zeitpunkte

Claims

Hochvoltbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug mit - einer Vielzahl von Batteriemodulen (4); - einem Batteriegehäuse (2) mit einem Innenraum (3) zum Aufnehmen der Batteriemodule (4); - einem in einer Gehäusewand (5) des Batteriegehäuses (2) angeordneten Druckausgleichselement (7) für einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum (3) und einer Umgebung (6) der Hochvoltbatterie (1); und - einer Überwachungsvorrichtung (8), welche dazu ausgelegt ist, eine Dichtigkeit des Batteriegehäuses (2) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, eine aktuelle Änderung eines Umgebungsdrucks (p_a) sowie ein von einer Dynamik des Druckausgleichs abhängiges Signal (12, 12', 13, 13', 14, 14') zu erfassen, und anhand des Signals (12, 12', 13, 13', 14, 14') und anhand eines Referenzdynamiksignals, welches für die aktuelle Änderung des Umgebungsdrucks (p_a) sowie für eine vorbestimmte Durchflussrate des Druckausgleichselementes (7) definiert ist, eine veränderte Dichtigkeit des Batteriegehäuses (2) zu erkennen.
Hochvoltbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, als die veränderte Dichtigkeit eine Undichtigkeit des Batteriegehäuses (2) und/oder einen Belag (10) auf dem Druckausgleichselement (7) zu erkennen.
Hochvoltbatterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, anhand des Signals (12, 12', 13, 13', 14, 14') sowie anhand der Änderung des Umgebungsdrucks (p_a) eine Zeitkonstante für den Druckausgleich zu bestimmen und mit einer anhand des Referenzdynamiksignals bestimmten Referenzzeitkonstante für den Druckausgleich zu vergleichen.
Hochvoltbatterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, die Undichtigkeit des Batteriegehäuses (2) zu erkennen, falls die bestimmte Zeitkonstante die Referenzzeitkonstante um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet und/oder den Belag (10) auf dem Druckausgleichselement (7) zu erkennen, falls die bestimmte Zeitkonstante die Referenzzeitkonstante um mehr als einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet.
Hochvoltbatterie (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, als das Signal einen zeitabhängigen Verlauf (12', 13', 14') eines Differenzdrucks (Δp) zwischen dem Innenraum (3) und der Umgebung (6) während des Druckausgleichs zu bestimmen und anhand des zeitabhängigen Verlaufs (12', 13', 14') des Differenzdrucks (Δp) sowie der Änderung des Umgebungsdrucks (p_a) die Zeitkonstante zu bestimmen.
Hochvoltbatterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) zur Erfassung des Verlaufs des Differenzdrucks (Δp) einen Differenzdrucksensor (15) aufweist.
Hochvoltbatterie (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (7) als eine atmungsaktive elastische Membran ausgebildet ist und die Überwachungsvorrichtung (8) einen Dehnungsmessstreifen (16) aufweist, welcher an der Membran angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, einen zeitabhängigen, von dem Verlauf (12', 13', 14') des Differenzdrucks (Δp) abhängigen Verlauf einer Verformung der Membran während des Druckausgleichs zu erfassen, wobei die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, aus dem Verlauf der Verformung den Verlauf (12', 13', 14') des Differenzdrucks (Δp) zu bestimmen.
Hochvoltbatterie (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) ausgelegt ist, einen Wert des Differenzdrucks (Δp) in einem stationären Bereich (18) des zeitabhängigen Verlaufs (12', 13', 14') des Differenzdrucks (Δp) zu bestimmen und die Zeitkonstante als das Verhältnis zwischen dem Wert des Differenzdrucks (Δp) im stationären Bereich (18) und einer Änderungsrate des Umgebungsdrucks (p_a) zu bestimmen.
Hochvoltbatterie (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) einen Beobachter aufweist, welcher dazu ausgelegt ist, anhand des erfassten zeitabhängigen Verlaufs (12', 13', 14') des Differenzdrucks (Δp) sowie anhand der erfassten Änderung des Umgebungsdrucks (p_a) die Zeitkonstante zu rekonstruieren.
Hochvoltbatterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (8) dazu ausgelegt ist, die Änderung des Umgebungsdrucks (p_a) anhand eines Umgebungsdrucksignals (11) zu bestimmen, wobei die Überwachungsvorrichtung (8) dafür dazu ausgelegt ist, das von einem weiteren fahrzeugseitigen Absolutdrucksensor erfasste Umgebungsdrucksignal zu empfangen und/oder Daten eines fahrzeugexternen Anbieters zu empfangen und anhand der Daten das Umgebungsdrucksignal zu bestimmen.
Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.