DE102019111239A1

DE102019111239A1 - Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102019111239A1
Application number: DE102019111239.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Schardax
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers (1) für die Verwendung als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug. Der Energiespeicher (1) umfasst ein oder mehrere Module (10; 10-1, ..., 10-m) mit jeweils einer Mehrzahl an Batteriezellen (11-1, ... 11-n), die quer nebeneinander angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinheit (20) zur Überwachung und Regelung des Energiespeichers (1) mit einer Anzahl an über das zumindest eine Modul (10; 10-1, ..., 10-m) räumlich verteilt angeordneten als Temperatursensoren (17, 18, 19) zur Erfassung jeweiliger Temperaturinformationen, die an jeweils zugeordneten ersten Eingängen (23, 24, 25) der Steuereinheit (20) zur Verarbeitung bereitgestellt werden. Ferner umfasst die Vorrichtung eine wenigstens zwei elektrische Leiter umfassende Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2), die quer über die Batteriezellen (11-1, ... 11-n) geführt ist, wobei die Leiter mit einem zweiten Eingang der Steuereinheit (20) verbunden sind. Beim Überschreiten einer durch die Ausbildung der Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) vorgegebenen Temperaturschwelle an einer der Batteriezellen (11-1, ...11-n) in einem Bereich, in dem die Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) diese Batteriezelle (11-1, ... 11-n) quert, ändert die Leitungsanordnung ihre elektrischen Eigenschaften. Die Steuereinheit (20) ist dazu ausgebildet, die Überwachung des Energiespeichers (1) basierend auf den von den Temperatursensoren (17, 18, 19) erfassten Temperaturinformationen und dem an der Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) aktuell anliegenden Spannungswert durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers für die Verwendung als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisch betreibbares Fahrzeug.
Zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers, der als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug genutzt wird, ist aus dem Stand der Technik bekannt mehrere Temperatursensoren zu verwenden, wobei die von den mehreren Temperatursensoren gelieferten Temperaturinformationen einem vorgegebenen Temperaturmodell zugeführt werden, um eine Temperaturverteilung über den Energiespeicher zu ermitteln. Bei dieser Vorgehensweise wäre wünschenswert, dass ein lokal begrenzter Temperatur-Hot-Spot bei ungünstiger, weil entfernter, Lage relativ zu den Temperatursensoren mit höherer Genauigkeit erfasst werden könnte.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers anzugeben, welche baulich und/oder funktional derart verbessert ist, dass lokal auftretende Temperaturerhöhungen präziser erfasst werden können. Gleichzeitig soll die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweisen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einer zuverlässigen und konstruktiv einfachen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers anzugeben. Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers anzugeben, welches einfach und zuverlässig ist.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein elektrisch betreibbares Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers für die Verwendung als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug vorgeschlagen. Unter einem elektrisch betriebenen oder betreibbaren Fahrzeug werden solche Fahrzeuge verstanden, welche entweder ausschließlich einen aus dem Energiespeicher gespeisten elektrischen Antrieb als Antriebsquelle (Battery Equipped Vehicle, BEV) oder welche neben einem aus dem Energiespeicher gespeisten elektrischen Antrieb eine herkömmliche Verbrennungskraftmaschine (Hybrid Electric Vehicle, HEV) als Antriebsquellen umfassen. Unter dem Begriff „Fahrzeug“ sind sowohl Personenkraftfahrzeuge als auch Lastkraftwägen, einspurige Personenbeförderungsvorrichtungen, wie z.B. E-Scooter, E-Roller, E-Motorräder und dergleichen zu verstehen, ebenso wie Sportgeräte, wie z.B. Monowheels, Segways und dergleichen.
Der Energiespeicher umfasst zumindest ein als Modul bezeichnetes Batteriemodul mit jeweils einer Mehrzahl an Batteriezellen, die, in einer Querrichtung der Batteriezellen, nebeneinander angeordnet sind. Sind die Batteriezellen seriell miteinander verschaltet, so ergibt sich an den Klemmen des Moduls eine hohe Spannung, weswegen der Energiespeicher auch als Hochvoltspeicher (HVS) bezeichnet wird. Abhängig von der für den Betrieb des elektrisch betriebenen Fahrzeugs benötigten Spannung und/oder Kapazität kann ein solcher Energiespeicher lediglich ein Modul oder eine Mehrzahl an Modulen umfassen, wobei die Module elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein können.
Die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung umfasst eine als Batteriemanagementsystem bezeichnete Steuereinheit zur Überwachung und Regelung des Energiespeichers. Hierzu umfasst die Steuereinheit eine Recheneinheit zur Ausführung von Rechenoperationen sowie einen Speicher zum Zwischenspeichern berechneter Werte und/oder zum Auslesen von dauerhaft in der Steuereinheit hinterlegten Programmen oder Programmteilen.
Die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung umfasst ferner eine Anzahl an über das zumindest eine Modul räumlich verteilt angeordneten temperaturabhängigen Widerständen als Temperatursensoren zur Erfassung jeweiliger Temperaturinformationen. Die von der Anzahl an Temperatursensoren erfassten Temperaturinformationen werden dabei an jeweils zugeordneten ersten Eingängen der Steuereinheit zur Verarbeitung bereitgestellt. Umfasst der Energiespeicher lediglich ein Modul, so ist die Anzahl an Temperatursensoren räumlich über das eine Modul verteilt. Beispielsweise können manche der Temperatursensoren im Bereich der äußeren Ecken des Moduls und/oder der Seitenkanten des Moduls angeordnet sein. Vorzugsweise werden die Temperatursensoren derart über das Modul verteilt, dass diese einen in etwa gleichen Abstand zueinander aufweisen und/oder jede der Batteriezellen in einem vorgegebenen Höchstabstand zu einem jeweiligen Temperatursensor angeordnet ist. Umfasst der Energiespeicher eine Mehrzahl an Modulen, so kann jedes Modul mit einer entsprechenden, insbesondere gleichen Anzahl, an Temperatursensoren versehen sein. Insbesondere ist zweckmäßigerweise jedes Modul mit zumindest einem Temperatursensor ausgestattet. Anhand der der Steuereinheit zur Verfügung gestellten Temperaturinformationen kann dann, wie dies im Stand der Technik vorgesehen ist, ein entsprechendes Temperaturmodel des Energiespeichers berechnet werden, welches zur Regelung des Energiespeichers in einem regulären Betrieb genutzt wird.
Ferner umfasst die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung des Energiespeichers zumindest eine wenigstens zwei elektrische Leiter umfassende Leitungsanordnung, die in der Querrichtung über die Batteriezellen geführt ist. Die wenigstens zwei elektrischen Leiter sind mit einem zweiten Eingang der Steuereinheit verbunden. Die Leitungsanordnung ändert beim Überschreiten einer durch die Ausbildung der Leitungsanordnung vorgegebenen Temperaturschwelle an einer der Batteriezellen in einem Bereich, in dem die Leitungsanordnung diese Batteriezelle quert, ihre elektrischen Eigenschaften von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert. Die Leitungsanordnung stellt einen flächigen „Temperatursensor“ dar, der alle Batteriezellen überwacht und seine elektrischen Eigenschaften ändert, wenn an einer der Batteriezellen ein lokaler Temperatur-Hot-Spot auftritt.
Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Überwachung des Energiespeichers basierend auf den von der Anzahl an Temperatursensoren erfassten Temperaturinformationen (zur Bestimmung des bereits erwähnten Temperaturmodels) und dem an der Leitungsanordnung aktuell anliegenden ersten oder zweiten Spannungswert durchzuführen.
Das Vorsehen der Leitungsanordnung ermöglicht damit die Überwachung jeder der Batteriezellen, so dass ein lokaler Temperatur-Hot-Spot unmittelbar durch die Leitungsanordnung besser detektierbar wäre. Bei einem detektierten Temperatur-Hot-Spot könnte eine Gegenmaßnahme beispielsweise darin bestehen, dass die Steuereinheit den maximal in den Energiespeicher und/oder aus dem Energiespeicher fließenden Strom in seiner Höhe begrenzt und/oder ein Warnsignal ausgibt und/oder den Energiespeicher von den elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs sofort oder zeitverzögert (d.h. nach Ablauf einer dem Fahrer zur Kenntnis gebrachten Karenzzeit) trennt.
Vorteilhaft dabei ist, dass an der Steuereinheit hierfür pro zusätzlich vorzusehender Leitungsanordnung lediglich ein zusätzlicher Signaleingang erforderlich ist. Der Signaleingang umfasst dabei Anschlüsse für die wenigstens zwei elektrischen Leiter der Leitungsanordnung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Anzahl der verteilt angeordneten temperaturabhängigen Widerstände, die als Temperatursensoren genutzt werden, gegenüber konventionellen Anordnungen reduziert werden kann, was die Komplexität der Verdrahtung und die Anzahl an benötigten Signaleingängen an der Steuereinheit reduziert. Auch hierdurch lassen sich Kosten senken.
Es ist zweckmäßig, wenn die zumindest eine Leitungsanordnung über mehrere der Module geführt ist. In einer Ausgestaltung kann eine Leitungsanordnung für sämtliche Module des Energiespeichers vorgesehen werden, wodurch die Anzahl an zweiten Eingängen der Steuereinheit minimal, nämlich eins (1), ist.
In einer anderen Ausgestaltung können mehrere Leitungsanordnungen über jeweils mehrere, dann unterschiedliche, Module geführt sein. Hieraus ergibt sich, dass entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Leitungsanordnungen eine entsprechende Anzahl an zweiten Eingängen der Steuereinheit vorgesehen werden muss. Das Vorsehen mehrerer Leitungsanordnungen bringt den Vorteil mit sich, dass nicht nur das Vorhandensein eines Fehlers an einer der Batteriezellen detektierbar ist, sondern auch der ungefähre Ort eingegrenzt werden kann, der durch die Zuordnung der Module mit einer defekten Batteriezelle zu der den Fehler detektierenden Leitungsanordnung ermittelbar ist. Hierdurch können ggf. Aufwendungen für eine Reparatur gesenkt werden.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Leitungsanordnung, insbesondere wenn sie über mehrere Module geführt ist, einen mäanderförmigen Verlauf aufweist. Hierdurch kann die Leitungslänge der zumindest einen Leitungsanordnung optimiert werden. Der mäanderförmig Verlauf der zumindest einen Leitungsanordnung kann auch in Bezug auf ein bestimmtes Modul vorliegen. Dies kann beispielsweise konstruktiven Details der Ausgestaltung des bestimmten Moduls Rechnung tragen, welche beispielsweise einen geradlinigen Verlauf der Leitungsanordnung in Querrichtung über die Batteriezellen nicht erlaubt. Darüber hinaus können durch die größere Länge der Leitungsanordnung Hot-Spots noch besser detektiert werden.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die zumindest eine Leitungsanordnung über Membranöffnungen der Batteriezellen geführt ist. Membranöffnungen sind in den Batteriezellen aus Sicherheitsgründen vorgesehen, um beispielsweise aufgrund einer übermäßig ansteigenden Temperatur einen sich in der Batteriezelle dadurch aufbauenden Druck gezielt reduzieren zu können. Die Membranöffnungen stellen somit eine Art von „Sicherheitsventilen“ dar. Beim Auslösen dieses Sicherheitsmechanismus strömt über die Membranöffnungen heißes Gas aus dem Inneren der Batteriezellen heraus, welches dann an der Leitungsanordnung vorbeigeführt wird. Dies führt aufgrund der Ausbildung der Leitungsanordnung zu deren Auslösung, so dass sich die elektrischen Eigenschaften der Leitungsanordnung von dem ersten Spannungswert auf den zweiten Spannungswert ändert. Das Führen der zumindest einen Leitungsanordnung über die Membranöffnungen der Batteriezellen ermöglicht dadurch ein sehr schnelles Ansprechen der Temperaturüberwachungsvorrichtung im Falle eines lokalen Temperatur-Hot-Spots.
Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise dazu ausgebildet, die von der Anzahl an Temperatursensoren erfassten Temperaturinformationen und den Spannungswert zusammen auszuwerten, um eine Modul-Temperaturinformation zu bestimmen. Die Modul-Temperaturinformation kann darin bestehen, dass ein lokaler Temperatur-Hot-Spot vorliegt oder nicht. Im ersteren Fall können dann geeignete Gegenmaßnahmen, die zumindest eine Signalisierung eines durch den Fahrer des Fahrzeugs wahrnehmbaren Warnsignals umfasst, durchgeführt werden. Darüber hinaus kann der maximal entnehmbare oder in den Energiespeicher fließende Strom in seiner Höhe begrenzt werden. Alternativ kann eine Abschaltung des Energiespeichers erfolgen.
Gemäß einer ersten Variante ist die Leitungsanordnung ein Sensor-Kabel, das zwei über einen thermischen Isolator elektrisch voneinander getrennte und verdrillte Leiter umfasst, wobei der thermische Isolator derart beschaffen ist, dass dieser beim Erreichen der vorgegebenen Temperaturschwelle eine elektrische Verbindung der zwei Leiter, d.h. einen Kurzschluss, verursacht. Ein derartiges Kabel ist als LHD-Kabel (LHD: Linear Heat Detection) bekannt, welches als Brandmelderkabel verwendet wird. Der thermische Isolator wird bei einer, durch seine Materialeigenschaften vorgegebenen, Grenztemperatur weich, wobei durch die Verdrillung und eine dadurch gegebene Vorspannung ein Berühren der Leiter hervorgerufen wird. Der Temperaturgrenzwert kann durch die Materialeigenschaften des thermischen Isolators eingestellt werden, wobei auf dem Markt verfügbare Varianten in 10 K-Temperaturabständen verfügbar sind. Das von dem zweiten Eingang der Steuereinheit abgewandte Ende des Sensor-Kabels ist mit einem Abschlusswiderstand versehen. Der Kurzschluss führt damit zu einer Reduktion des Widerstands, was durch die Steuereinheit detektierbar ist.
Die Auslöseschwelle des Sensor-Kabels wird anhand der Materialeigenschaften des thermischen Isolators zweckmäßigerweise derart gewählt, dass diese 20 K bis 30 K über der im Betrieb des Energiespeichers normalen Zell-Temperatur liegt.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Leitungsanordnung eine Serienschaltung von Temperaturschaltern ist, wobei beim Auslösen eines der Temperaturschalter beim Erreichen der vorgegebenen Temperaturschwelle an einer für alle Temperaturschalter gemeinsamen Leitung ein Potentialwechsel detektierbar ist. Derartige Temperaturschalter sind als „Temperature Switch“ bekannt sind. Die Temperaturschalter sind thermisch an die Batteriezellen angebunden und können auf einem Schaltungsträger, der eine geeignete Leiterzugstruktur aufweist, aufgebracht werden. Derartige Schaltungsträger mit Leiterzugstruktur werden in dem Energiespeicher beispielsweise bereits von den Temperatursensoren sowie die für jede Batteriezelle vorgesehene Spannungsmessung verwendet. Der zusätzlich erforderliche Aufwand besteht somit lediglich darin, die Leiterzugstruktur für die Funktion der Temperaturschalter anzupassen. Ein Vorteil der Verwendung von Temperaturschaltern besteht darin, dass eine Gruppierung über einen vorgegebenen Temperaturbereich möglich ist. Dies gilt auch für die erste Variante.
Insbesondere sind die Temperaturschalter auf zwei benachbarte Batteriezellen miteinander verbindende Zellverbinder angeordnet. Es versteht sich, dass die Temperaturschalter jedoch elektrisch von den Zellverbindern isoliert sind.
Die vorgeschlagene zusätzliche Leitungsanordnung ist kostengünstig und kann großflächig eine Temperaturüberwachung für sämtliche Batteriezellen des Energiespeichers sicherstellen. Gegenüber, beispielsweise dem Vorsehen von DruckSensoren, welche anhand eines im Inneren der Batteriezellen vorherrschenden Drucks auf deren Funktionszustand schließen können, ermöglicht die zumindest eine Leitungsanordnung die frühzeitige Erkennung von Fehlern und einen Zeitgewinn bei der Behandlung eines Fehlers.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein elektrisch betreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, das einen Energiespeicher der oben genannten Art als Traktionsbatterie sowie eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung, wie sie vorliegend beschrieben ist, umfasst.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers für die Verwendung als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug vorgeschlagen, wobei der Energiespeicher und die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung, wie in diesem Dokument beschrieben, ausgebildet sind. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bestimmens eines Temperaturmodels basierend auf den von der Anzahl an Temperatursensoren erfassten Temperaturinformationen und des Ermittelns, ob an der Leitungsanordnung aktuell ein erster oder zweiter Spannungswert anliegt, wobei unmittelbar mit der Feststellung eines zweiten Spannungswerts ein Warnsignal ausgegeben wird. Das Warnsignal kann ein von einem Fahrer des elektrisch betriebenen Fahrzeugs wahrnehmbares akustisches und/oder visuelles Signal sein. Dieses kann beispielsweise mit Hilfe einer Kontrollleuchte oder als Meldung auf einem Control-Display des Fahrzeugs ausgegeben werden. Zusätzlich kann mit der Feststellung eines zweiten Spannungswerts eine Strombegrenzung des in den Energiespeicher oder aus dem Energiespeicher fließenden Stroms einhergehen. Gegebenenfalls kann ein sofortiges oder zeitverzögertes Trennen des Energiespeichers von den elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die gleichen Vorteile auf, wie diese in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wurden.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 einen bekannten Energiespeicher mit einem Modul, der eine Anzahl an räumlich verteilt angeordneten Temperatursensoren umfasst;
2 den Energiespeicher aus 1, der in erfindungsgemäßer Weise um eine die Batteriezellen überwachende Leitungsanordnung ergänzt ist;
3 eine schematische Darstellung eines eine Mehrzahl an Modulen umfassenden Energiespeichers, wobei sämtliche Batteriezellen der Module mit Hilfe einer einzigen Leitungsanordnung auf das Auftreten von lokalen Temperatur-Hot-Spots überwacht werden;
4 eine zu 3 alternative Ausgestaltungsvariante, wobei zwei Leitungsanordnungen zur Überwachung unterschiedlicher Module des Energiespeichers vorgesehen sind; und
5 eine schematische Darstellung einer eine Serienschaltung von Temperaturschaltern umfassenden Leitungsanordnung.

1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers 1, der zur Verwendung als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug vorgesehen ist. Lediglich beispielshaft umfasst der Energiespeicher 1 ein Modul 10. In der Praxis kann der Energiespeicher eine Mehrzahl an Modulen umfassen, die, wie nachfolgend beschrieben, aufgebaut sind.
Das Modul 10 umfasst eine Anzahl n an Batteriezellen 11-1, ..., 11-n. Die Anzahl n kann grundsätzlich beliebig sein, wobei n jedoch größer als 1 (n > 1) ist. Lediglich beispielhaft umfasst das hier gezeigte Modul 10 zwölf (n = 12) in einer Querrichtung QR nebeneinander angeordnete Batteriezellen.
Jede der Batteriezellen 11-i (wobei i = 1, ..., n) umfasst ein erstes Zellterminal 12-i (i = 1, ..., n) sowie ein zweites Zellterminal 13-i (i = 1,..., n). Das erste und das zweite Zellterminal 12-i, 13-i sind an gegenüberliegenden Enden der jeweiligen Batteriezelle 11-i angeordnet. Lediglich beispielhaft sind das erste und das zweite Zellterminal 12-i, 13-i in etwa quadratisch dargestellt. Das erste Zellterminal 12-i stellt beispielsweise den Anschluss für ein negatives Spannungspotential (erste Polarität) und das zweite Zellterminal 13-i den Anschluss für ein positives Spannungspotential (zweite Polarität) dar.
Aufgrund der in Querrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen 11-1, ..., 11-n kommen Zellterminals benachbarter Batteriezellen mit unterschiedlicher Polarität nebeneinander zum Liegen. Aufgrund der seriellen Verschaltung der Batteriezellen 11-1 liegt dabei ein erstes Zellterminal 12-i neben einem zweiten Zellterminal 13-i der benachbarten Batteriezelle, usw.. Diese benachbarten Zellterminals sind über jeweilige Zellverbinder 15 bzw. 16 in bekannter Weise miteinander verschaltet. Das erste Zellterminal 12-1 der Batteriezelle 11-1 und das zweite Zellterminal 13-n der letzten Batteriezelle 11-n werden beispielsweise mit einem elektrischen Verbraucher, z.B. der Antriebsmaschine, des elektrisch betriebenen Fahrzeugs verbunden.
Lediglich beispielhaft ist in der Mitte zwischen dem ersten und zweiten Zellterminal 12-i, 13-i einer jeweiligen Batteriezelle 11-i eine Membranöffnung 14-i (i = 1,..., n) vorgesehen. Über die Membranöffnung 14-i kann beim Auftreten eines zu hohen Drucks (welcher in der Regel mit einer lokalen Temperaturerhöhung in der betreffende Batteriezelle einhergeht) in einer jeweiligen Batteriezelle Gas durch das Aufplatzen der Membranöffnung 14-i aus der betreffenden Batteriezelle 11-i austreten. Hierdurch wird eine Beschädigung, insbesondere benachbarter, Batteriezellen 11-i verhindert.
Die Batteriezellen 11-i sind in einem Modulgehäuse 10G angeordnet. Außerhalb des Modulgehäuses 10G ist eine als Batteriemanagementsystem bezeichnete Steuereinheit 20 vorgesehen, wobei die Anordnung der Steuereinheit 20 außerhalb des Modulgehäuses 10G nicht zwingend ist. Die Steuereinheit 20 umfasst eine Recheneinheit 21 sowie einen Speicher 22. In dem Speicher 22 sind beispielsweise Programme zur Überwachung und Regelung des Energiespeichers 1 hinterlegt, welche durch die Recheneinheit 21 aus dem Speicher 22 ausgelöst und ausgeführt werden können. Der Speicher 22 kann darüber hinaus zum Speichern von Zwischenergebnissen und/oder Statusinformationen genutzt werden. Die Steuereinheit 20 kann darüber hinaus eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuereinheit des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs umfassen.
Zur Temperaturüberwachung sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei temperaturabhängige Widerstände (NTC-Widerstand) als Temperatursensoren 17, 18, 19 räumlich verteilt über das Modul 10 angeordnet. Beispielsweise ist der Temperatursensor 17 auf dem Zellverbinder 16, der die Zellterminals der Batteriezellen 11-1, 11-2 miteinander verbindet, angeordnet. Der Temperatursensor 19 liegt lediglich beispielhaft in Querrichtung QR am entgegengesetzten Ende im Bereich des Zellterminals 12-n der Batteriezelle 11-n. Der Temperatursensor 19 ist wiederum auf dem Zellverbinder 16, der das erste Zellterminal 12-n und das zweite Zellterminal 13-n-1 der benachbarten Batteriezelle 11-n-1 miteinander verbindet, angeordnet. Der Temperatursensor 18 liegt auf der zu den Temperatursensoren 17, 19 entgegengesetzten Seite in etwa im Bereich des ersten Zellterminals 12-7 der Batteriezelle 11-7. Die Anzahl und Anordnung der Temperaturzellen 17, 18, 19 ist lediglich exemplarisch und könnte auch anders sein. Insbesondere kann eine größere oder kleinere Anzahl an Temperatursensoren vorgesehen sein.
Jeder der Temperatursensoren 17, 18, 19 ist über eine zugeordnete Leitung 17L, 18L, 19L mit einem jeweils zugeordneten ersten Eingang 23, 24, 25 der Steuereinheit 20 mit dieser verbunden. Durch die Temperatursensoren 17, 18, 19 werden jeweilige Temperaturinformationen erfasst, wobei diese an den jeweils zugeordneten Eingängen 23, 24, 25 der Steuereinheit 20 zur Verarbeitung bereitgestellt werden. Die Anzahl der ersten Eingänge 23, 24, 25 entspricht somit der Anzahl der Temperatursensoren 17, 18, 19. Um den Aufwand der Verdrahtung und die Kosten gering zu halten, wird daher die Anzahl der Temperatursensoren 17, 18, 19 so gering wie möglich gehalten.
Die Steuereinheit 20 bzw. die Recheneinheit 21 ermittelt aus den Temperaturinformationen und einer in dem Speicher 22 hinterlegten Rechenvorschrift ein Temperaturmodel des Energiespeichers 1. Basierend auf diesem Temperaturmodel erfolgt dann die Überwachung und Regelung des Energiespeichers 1, wobei insbesondere in Abhängigkeit des ermittelten Temperaturmodels aus dem Energiespeicher entnehmbare und in diesen hineinfließende Ströme begrenzt werden.
Wünschenswert bei der beschriebenen Temperaturüberwachung wäre, dass beim Auftreten eines lokalen Temperatur-Hot-Spots, z.B. der Batteriezelle 11-4, dieser mit höherer Genauigkeit von einem der Temperatursensoren, z.B. 17 oder 18, erfasst und in dem Temperaturmodel berücksichtigt werden könnte.
2 zeigt eine erfindungsgemäß verbesserte Vorrichtung zur Temperaturüberwachung des in 1 beschriebenen Energiespeichers. Über die in Verbindung mit 1 bereits beschriebenen Komponenten hinaus umfasst die Vorrichtung eine wenigstens zwei elektrische Leiter umfassende Leitungsanordnung 27, die in der Querrichtung QR über alle Batteriezellen 11-i des Moduls 10 geführt ist. Im konkreten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Leitungsanordnung 27 über sämtliche Membranöffnungen 14-i der Batteriezellen geführt, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Die wenigstens zwei elektrischen Leiter der Leitungsanordnung 27 sind mit einem zweiten Eingang 26 der Steuereinheit 20 verbunden.
Beim Überschreiten einer durch die Ausbildung (d.h. konstruktiven Ausgestaltung) der Leitungsanordnung 27 vorgegebenen Temperaturschwelle an einer beliebigen der Batteriezellen 11-i in einem Bereich, in dem die Leitungsanordnung 27 die defekte Batteriezelle quert, ändert die Leitungsanordnung 27 ihre elektrischen Eigenschaften von einem bestimmungsgemäßen ersten Spannungswert (als erster Erfassungswert), der einen einwandfreien, funktionsfähigen Energiespeicher signalisiert, auf einen zweiten Spannungswert (als zweiter Erfassungswert), der das Auftreten eines lokalen Temperatur-Hot-Spots signalisiert.
Da ein Temperaturanstieg aufgrund eines Defekts in einer der Batteriezellen 11-i in der Regel mit einem Druckanstieg im Inneren der betroffenen Batteriezelle 11-i einhergeht, platzt zudem beim Übersteigen eines vorgegebenen Drucks die Membranöffnung als „Sicherheitsventil“ auf. Da die Leitungsanordnung 27 über die Membranöffnungen 14-i der Batteriezellen geführt ist, wird das Material der Leitungsanordnung 27 der hohen Temperatur ausgesetzt und führt sehr schnell zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften.
Unmittelbar mit dem Feststellen eines sich ändernden Spannungswerts (Erfassungswerts) am zweiten Eingang 26 (oder entsprechend einer Widerstandsänderung) wird durch die Steuereinheit 20 zumindest ein Warnsignal ausgegeben und/oder eine Begrenzung des in und/oder aus dem Energiespeicher entnehmbaren Stroms vorgenommen und/oder eine sofortige oder zeitverzögerte Abschaltung/Trennung des Energiespeichers 1 von seinen elektrischen Verbrauchern vorgenommen. Die Art der Fehlerbehandlung kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen und ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, so dass über die gemachten Beispiele keine weiteren Ausführungen erfolgen.
Bei der Leitungsanordnung 27 kann es sich um ein Sensorkabel handeln, das zwei über einen thermischen Isolator elektrisch voneinander getrennte und verdrillte Leiter umfasst. Der thermische Isolator ist dabei derart beschaffen, dass dieser beim Erreichen der vorgegebenen Temperaturschwelle, die durch die Materialeigenschaften des thermischen Isolators gegeben ist, eine elektrische Verbindung der zwei Leiter verursacht. Der hierdurch bedingte Kurzschluss macht sich in einer Veränderung des Spannungswerts bzw. Widerstandswerts bemerkbar und ist am zweiten Eingang 26 durch die Steuereinheit 20 detektierbar. Ein solches Sensor-Kabel ist unter dem Begriff LHD-Kabel oder Brandmelderkabel bekannt. Im Falle der Ausbildung der Leitungsanordnung 27 als Sensor-Kabel umfasst dieses an dem von dem zweiten Eingang 26 abgewandten Ende einen nicht dargestellten Abschlusswiderstand.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Leitungsanordnung 27 eine Serienschaltung von Temperaturschaltern 30-i (i = 1, ..., n) aufweisen, wie dies exemplarisch in der schematischen Darstellung der 5 gezeigt ist. Die Temperaturschalter 30-i sind hierbei zwischen einer Versorgungsleitung 33 und einer Bezugspotentialleitung 35 verschaltet. Die Versorgungsleitung 33 ist beispielsweise mit einem Anschluss 26P und die Bezugspotentialleitung 35 mit einem Anschluss GND des zweiten Eingangs 26 der Steuereinheit 20 verschaltet. Eine Auswerteleitung 34 ist mit einem Eingang 26A des zweiten Eingangs 26 verschaltet. Zudem ist zwischen der Versorgungsleitung 33 und der Auswerteleitung 34 ein Widerstand 31 verschaltet. Beim Auslösen eines der Temperaturschalter 30-i beim Erreichen einer vorgegebenen Temperaturschwelle ist an einer für die Temperaturschalter 30-i gemeinsamen Auswerteleitung 34 ein Potentialwechsel detektierbar, da die Auswerteleitung 34 durch den ansprechenden Temperaturschalter 30-i nunmehr anstelle mit dem Potential der Versorgungsleitung 33 mit dem Potential der Bezugspotentialleitung 35 verbunden wird. Derartige Temperaturschalter sind auch als sog. „Temperature Switches“ bekannt.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Leitungsanordnung für das Modul 10 dargestellt. Die Leitungsanordnung 27 verläuft dabei geradlinig über sämtliche der Batteriezellen 11-i. In einer nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante könnte sich die Leitungsanordnung 27 auch mäanderförmig über die Batteriezellen 11-i des Moduls 10 erstrecken. Dadurch, dass sich die Leitungsanordnung 27 im Wesentlichen in der Querrichtung QR, d.h. quer zur Nebeneinanderreihung der Batteriezellen, erstreckt, kann die Leitungsanordnung 27 eine kurze Leitungslänge aufweisen.
Weist der Energiespeicher 1 eine Mehrzahl von Modulen 10-j (j = 1, ..., m) auf, wie dies in den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 gezeigt ist, so kann die Überwachung sämtlicher Batteriezellen 11-i sämtlicher Module 10-j mittels einer einzigen Leitungsanordnung 27 erfolgen (3). In diesem Fall verläuft die Leitungsanordnung 27 mäanderförmig über sämtliche der Module 10-j. Die Anzahl m ist grundsätzlich beliebig, wobei m größer als 1 (m > 1) ist.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante, die in 4 gezeigt ist, können mehrere Leitungsanordnungen, hier: zwei, jeweils über unterschiedliche Module geführt sein. So ist die Leitungsanordnung 27-1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die in der Zeichnung oberen vier Module und die Leitungsanordnung 27-2 über die in der Zeichnung unteren vier Module des Energiespeichers 1 geführt. Um eine möglichst kurze Leitungsführung der Leitungsanordnungen 27-1, 27-2 zu erzielen, sind die jeweiligen Leitungsanordnungen 27-1, 27-2 jeweils wiederum mäanderförmig geführt. Es versteht sich, dass bei einer Mehrzahl von Leitungsanordnungen eine entsprechende Anzahl an Eingängen 26-1, 26-2 des zweiten Eingangs der Steuereinheit 20 vorgesehen werden muss. Dies ist im Ausführungsbeispiel gemäß 4 dargestellt.
Obwohl 4 lediglich zwei Leitungsanordnungen darstellt, kann die Anzahl der Leitungsanordnungen auch größer als zwei sein. Die Anzahl der Leitungsanordnungen kann von der Anzahl der Module und deren Anordnung in einem Gehäuse und/oder Fahrzeug abhängen.
Durch das Vorsehen einer oder mehrere Leitungsanordnungen der beschriebenen Art kann die Anzahl der herkömmlichen Temperatursensoren 17, 18, 19 pro Modul reduziert werden. Es ist möglich, z.B. lediglich einen einzigen genauen Temperatursensor pro Modul vorzusehen. Grundsätzlich kann die Anzahl der Temperatursensoren gegenüber herkömmlichen Anordnungen auch unverändert oder größer sein.
Der Vorteil der zusätzlichen Temperaturüberwachung mittels einer oder mehrerer Leitungsanordnungen besteht darin, dass der Verkabelungsaufwand und die Anzahl der dafür erforderlichen zweiten Eingänge an der Steuereinheit sehr gering sind. Im einfachsten Fall ist das Vorsehen eines lediglich einzigen zusätzlichen zweiten Eingangs der Steuereinheit 20 ausreichend. Dadurch lässt sich die beschriebene Temperaturüberwachungsvorrichtung kostengünstig realisieren.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
10: Modul
10-j: Modul (j = 1 ... m)
10G: Modulgehäuse
11-i: Batteriezelle (i = 1... n)
12-i: erstes Zellterminal (i = 1... n)
13-i: zweites Zellterminal (i = 1... n)
14-i: Membranöffnung der i-ten Batteriezelle (i = 1... n)
15: Zellverbinder
16: Zellverbinder
17: Temperatursensor
17L: Leitung
18: Temperatursensor
18L: Leitung
19: Temperatursensor
19L: Leitung
20: Steuereinheit (Batteriemanagementsystem)
21: Recheneinheit
22: Speicher
23: erster Eingang für Signal des Temperatursensors 17
24: erster Eingang für Signal des Temperatursensors 18
25: erster Eingang für Signal des Temperatursensors 19
26: zweiter Eingang
27: Leitungsanordnung
30-i: Temperaturschalter (i = 1... n)
31: Widerstand
32: Schaltelement
33: Versorgungsleitung
34: Auswerteleitung
35: Bezugspotentialleitung
QR: Querrichtung

Claims

Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers (1) für die Verwendung als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, wobei der Energiespeicher (1) zumindest ein Modul (10; 10-1, ..., 10-m) mit jeweils einer Mehrzahl an Batteriezellen (11-1, ... 11-n), die in einer Querrichtung der Batteriezellen (11-1, ...11-n) nebeneinander angeordnet sind, umfasst, mit: - einer Steuereinheit (20) zur Überwachung und Regelung des Energiespeichers (1); - einer Anzahl an über das zumindest eine Modul (10; 10-1, ..., 10-m) räumlich verteilt angeordneten temperaturabhängigen Widerständen als Temperatursensoren (17, 18, 19) zur Erfassung jeweiliger Temperaturinformationen, wobei die von der Anzahl an Temperatursensoren (17, 18, 19) erfassten Temperaturinformationen an jeweils zugeordneten ersten Eingängen (23, 24, 25) der Steuereinheit (20) zur Verarbeitung bereitgestellt werden; - zumindest einer wenigstens zwei elektrische Leiter umfassenden Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2), die in der Querrichtung über die Batteriezellen (11-1, ... 11-n) geführt ist, wobei die wenigstens zwei elektrischen Leiter mit einem zweiten Eingang der Steuereinheit (20) verbunden sind, und wobei die Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) beim Überschreiten einer durch die Ausbildung der Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) vorgegebenen Temperaturschwelle an einer der Batteriezellen (11-1, ...11-n) in einem Bereich, in dem die Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) diese Batteriezelle (11-1, ...11-n) quert, ihre elektrischen Eigenschaften von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert ändert; und - wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgebildet ist, die Überwachung des Energiespeichers (1) basierend auf den von der Anzahl an Temperatursensoren (17, 18, 19) erfassten Temperaturinformationen und dem an der Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) aktuell anliegenden ersten oder zweiten Spannungswert durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Leitungsanordnung (27) über mehrere der Module (10; 10-1, ..., 10-m) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Leitungsanordnungen (27-1, 27-2) umfasst, die jeweils über unterschiedliche Module (10; 10-1, ..., 10-m) geführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (27) über alle der Module (10; 10-1, ..., 10-m) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Leitungsanordnung (27), insbesondere wenn sie über mehrere Module (10; 10-1, ..., 10-m) geführt ist, einen mäanderförmigen Verlauf aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Leitungsanordnung (27) über Membranöffnungen (14-1, ..., 14-n) der Batteriezellen (11-1, ... 11-n) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Temperatursensoren (17, 18, 19) pro Modul (10; 10-1, ..., 10-m) 1 oder größer ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (20) dazu ausgebildet ist, die von der Anzahl an Temperatursensoren (17, 18, 19) erfassten Temperaturinformationen und den Spannungswert zusammen auszuwerten, um eine Modul-Temperaturinformation zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (27) ein Sensor-Kabel ist, das zwei über einen thermischen Isolator elektrisch voneinander getrennte, verdrillte Leiter umfasst, wobei der thermische Isolator derart beschaffen ist, dass dieser beim Erreichen der vorgegebenen Temperaturschwelle eine elektrische Verbindung der zwei Leiter verursacht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung (27) eine Serienschaltung von Temperaturschaltern (30-1, ..., 30-n) ist, wobei beim Auslösen eines der Temperaturschalter (30-1, ..., 30-n) beim Erreichen der vorgegebenen Temperaturschwelle an einer für alle Temperaturschalter (30-1, ..., 30-n) gemeinsamen Leitung (34) ein Potentialwechsel detektierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturschalter (30-1, ..., 30-n) auf zwei benachbarte Batteriezellen (11-1, ..., 11-n) miteinanderverbindende Zellverbinder (14, 15) angeordnet sind.
Elektrisch betreibbares Fahrzeugs, umfassend einen Energiespeicher (1) als Traktionsbatterie sowie eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Temperaturüberwachung eines Energiespeichers (1) für die Verwendung als Traktionsbatterie in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, wobei der Energiespeicher (1) zumindest ein Modul (10; 10-1, ..., 10-m) mit jeweils einer Mehrzahl an Batteriezellen (11-1, ...11-n), die in einer Querrichtung der Batteriezellen (11-1, ... 11-n) nebeneinander angeordnet sind, umfasst, und wobei die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung - eine Steuereinheit (20) zur Überwachung und Regelung des Energiespeichers (1); - eine Anzahl an über das zumindest eine Modul (10; 10-1, ..., 10-m) räumlich verteilt angeordneten temperaturabhängigen Widerständen als Temperatursensoren (17, 18, 19) zur Erfassung jeweiliger Temperaturinformationen, wobei die von der Anzahl an Temperatursensoren (17, 18, 19) erfassten Temperaturinformationen an jeweils zugeordneten ersten Eingängen (23, 24, 25) der Steuereinheit (20) zur Verarbeitung bereitgestellt werden; und - zumindest eine wenigstens zwei elektrische Leiter umfassende Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2), die in der Querrichtung über die Batteriezellen (11-1, ... 11-n) geführt ist, wobei die wenigstens zwei elektrischen Leiter mit einem zweiten Eingang der Steuereinheit (20) verbunden sind, und wobei die Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) beim Überschreiten einer durch die Ausbildung der Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) vorgegebenen Temperaturschwelle an einer der Batteriezellen (11-1, ...11-n) in einem Bereich, in dem die Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) diese Batteriezelle (11-1, ... 11-n) quert, ihre elektrischen Eigenschaften von einem ersten Spannungswert auf einen zweiten Spannungswert ändert; umfasst, mit den Schritten: - Bestimmen eines Temperaturmodells basierend auf den von der Anzahl an Temperatursensoren (17, 18, 19) erfassten Temperaturinformationen; und - Ermitteln, ob an der Leitungsanordnung (27; 27-1, 27-2) aktuell ein erster oder zweiter Spannungswert anliegt, wobei unmittelbar mit der Feststellung eines zweiten Spannungswerts ein Warnsignal ausgegeben wird.