DE102019113065A1 - Elektrischer akkumulator - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Akkumulator, welcher bestimmungsgemäß als Speicher für dessen Antriebsenergie in einem Fahrzeug für den Personentransport zu verbauen ist, wobei der Akkumulator eine Mehrzahl von galvanischen Zellen (1) und Sensoren für die Überwachung des Zustandes der einzelnen Zellen (1) zum Zwecke des Generierens von Warnmeldungen über das Versagen einzelner Zellen (1) umfasst. Einer der Sensoren ist ein Infrarot-Matrixsensors (5), wobei der der Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors (5) eine Fläche umfasst, an welcher Oberflächenseiten der mehrerer einzelner Zellen (1) nebeneinander liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrischen Akkumulator, welcher bestimmungsgemäß als Speicher für dessen Antriebsenergie in einem Fahrzeug für den Personentransport zu verbauen ist.
  • Bei einem Akkumulator dieser Art ist die Möglichkeit des „thermischen Durchgehens“ nicht vollkommen ausschließbar. Zum thermischen Durchgehen kann es kommen wenn in einem Volumenbereich des Akkumulators eine diesbezüglich relevante Temperaturgrenze nach oben hin überschritten wird - typischerweise durch Kurzschluss in einer einzelnen galvanischen Zelle. Durch die erhöhte Temperatur werden weitere Reaktionen ausgelöst, welche die Temperaturerhöhung weiter antreiben. Durch Wärmeausbreitung werden größere Volumenbereiche von der Temperaturerhöhung betroffen, sodass sich damit auch die Menge an reagierenden Substanzen erhöht.
  • Zu dem Zweck ein derartiges Ereignis verhindern zu können, und um in dem Fall, dass es dennoch auftreten sollte, Folgeschäden möglichst klein halten zu können, wird der Zustand des Akkumulators mit mehrerlei Sensoren überwacht. Gemäß einem Aspekt dieser Überwachung wird dann, wenn ein Hinweis auf thermisches Durchgehen des Akkumulators erkannt wird, automatisch eine Warnmeldung an die Fahrzeuginsassen ausgegeben. Dabei ist wichtig, dass die Warnmeldung zeitlich möglichst weit vor dem Zeitpunkt erfolgt, an welchem die Überhitzung in den Umgebungsbereich des Akkumulators überschlägt. Gemäß einem diesbezüglich relevanten sogenannten Propagationstest, beträgt die Zeitspanne, welche mit der Warnmeldung beginnt, und innerhalb dessen das überhitzte Volumen auf das Volumen des Akkumulators begrenzt bleiben muss, fünf Minuten.
  • Bei der aus Sicherheitsgründen stattfindenden automatischen Zustandsüberwachung des Akkumulators mittels Sensoren werden derzeit die Zellspannung der einzelnen galvanischen Zellen des Akkumulators und für jeweils eine Kleingruppe von Zellen die Temperatur gemessen. Dabei sind die relevanten Indikatoren für eine Gefahr das Absinken der Zellspannung, rascher Temperaturanstieg und das Überschreiten einer oberen Temperaturgrenze. Für das Vermeiden von falschen Alarmen und für das zuverlässige Erzeugen von passenden Warnmeldungen werden die Messergebnisse mehrerer Sensoren logisch miteinander verknüpft.
  • Die Temperaturmessungen erfolgen außerhalb der einzelnen Zelle und jeweils für mehrere Zellen gemeinsam. Auf Grund von Abstandsunterschieden zwischen dem jeweiligen Temperatursensor und den einzelnen Zellen variiert die Detektionszeit für eine Temperaturerhöhung von Zelle zu Zelle. Desto mehr verzögert ein Temperaturanstieg in einer Zelle detektiert wird, desto schwieriger wird die genaue Zuordnung des Fehlers und damit auch die richtige Entscheidung bezüglich einer Warnmeldung. Desto mehr geht ggf. von jener Zeitspanne verloren, innerhalb welcher nach einer Warnmeldung noch sicher kein Feuer und keine Explosion nach außen wirksam wird.
  • In der DE 10 2014 106 794 A1 wird vorgeschlagen den Akkumulator eines elektrisch betriebenen Flurförderzeuges mit Hilfe von mehreren Infrarotsensoren zu überwachen, welche sich in einem Abstand zu diesen oberhalb der Zellen des Akkumulators befinden und ggf. Wärmestrahlung die von den Zellen emittiert wird detektieren. Das Ergebnis der Sensoren ergibt sich aus der Summe der Wärmestrahlung die von mehreren Zellen gemeinsam emittiert wird und stellt im Wesentlichen die Durchschnittstemperatur des Akkumulators dar. Das Ergebnis wird nur dazu verwendet, die maximale Abgabe- bzw. Ladeleistung des Akkumulators dann gezielt verringern zu können, wenn der Akkumulator erhöhte Temperatur aufweist. Ziel der Maßnahme ist es damit die Lebensdauer des Akkumulators zu verlängern.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin die Temperaturüberwachung eines mehrere galvanische Zellen umfassenden elektrischen Akkumulators, welcher als mitgeführter Speicher für die Antriebsenergie eines Fahrzeuges für den Personentransport dient, dahingehend verbessert auszuführen, dass Temperaturerhöhung jeder einzelnen Zelle besser als bisher zuverlässig rasch festgestellt werden kann und dabei auch der jeweiligen Zelle eindeutig zuordenbar ist.
  • Für das Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen, die Temperatur mehrerer Zellen des Akkumulators mit Hilfe eines gemeinsamen Infrarot-Matrixsensors zu überwachen, welcher in einem Abstand zu den Zellen angeordnet und so ausgerichtet ist, dass sein Erfassungsbereich eine Oberfläche der Zellen umfasst.
  • Indem der Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors auf eine solche Oberflächenseite des Akkumulators ausgerichtet wird, an welcher Oberflächenseiten der einzelnen Zellen des Akkumulators nebeneinander liegen, ist aus den vom Infrarot-Matrixsensor laufend wiederholend generierten Wärmebildern erkennbar, welche Zelle zum jeweiligen Zeitpunkt an der beobachteten Oberflächenseite welche Temperatur aufweist.
  • Damit werden gegenüber bisher übliche Methoden die Temperatur in den einzelnen Zellen eines Akkumulators zu eruieren die folgenden Vorteile erreicht:
    • - Die Fehlerdetektionszeit wird deutlich reduziert. Damit wird die Sicherheit erhöht dass Fehler erkannt werden bevor Signalleitungen durch den aufgetretenen Fehler zerstört werden können.
    • - Durch die schneller generierbare Warnmeldung ist es einfacher die Mindestzeitspanne zwischen Warnmeldung und frühestmöglichem Auftreten von Feuer oder Explosion garantiert einhalten zu können. Damit wird es vertretbar an anderer Stelle Kosten für die Auslegung Sicherheit des Akkumulators einzusparen.
    • - Die Verlässlichkeit der Zuordnung von Temperaturmessergebnissen zu einzelnen Zellen ist verbessert, da der Wärmefluss zwischen den Zellen die Messergebnisse nicht beeinflusst und da das relevante Infrarotlicht ggf. auch Staub- oder Rauchschwaden gut durchdringt.
    • - Die zeitliche Ausbreitung von thermischen Ereignissen im Akkumulator kann detektiert werden. Die diesbezüglichen Informationen sind für die Ursachenfeststellung dieser Ereignisse und für die gezielte Weiterentwicklung von Akkumulatoren wertvoll.
  • Die Erfindung wird an Hand von stilisierten Zeichnungen zu einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akkumulators veranschaulicht:
    • 1: zeigt eine Teilschnittansicht von oben auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten Akkumulator.
    • 2: zeigt den Akkumulator von 1 in einer Teilschnittansicht von der Seite.
  • Bei dem in den Zeichnungen skizzierten erfindungsgemäßen Akkumulator steht eine Vielzahl von einzelnen galvanischen Zellen 1 mit jeweils oben liegenden Anschlüssen in mehreren Reihen nebeneinander in einem Gehäuse 2.
  • Zwischen den Zellen 1 und dem über diesen befindlichen Gehäusedeckel 3 befindet sich ein Hohlraum 4. An einem Randbereich des Hohlraums 4, bevorzugt in einer seitlichen Ausbuchtung des Gehäuses 2, ist der Infrarot-Matrixsensor 5 angeordnet.
  • Die Innenseite des Gehäusedeckels 3, also dessen zum Hohlraum 4 hin ausgerichtete Oberfläche, ist mit einer für Infrarotstrahlung spiegelnden Schicht 6 versehen. Der Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors 5 ist auf die spiegelnde Schicht 6 hin ausgerichtet und damit mittelbar auch auf die Zellen 1.
  • Infrarotlicht 7, welches an der dem Hohlraum 4 zugewandten Seite der Zellen 1 zufolge deren Temperatur emittiert wird, gelangt über die spiegelnde Schicht 6 an den Infrarot-Matrixsensor 5 und führt in diesem zu einem Detektionsergebnis,- welches typischerweise auf elektronischem Weg - an eine übergeordnete logische Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt) übertragen wird.
  • Das Funktionsprinzip eines Infrarot-Matrixsensors 5 sei kurz erklärt:
    • Ein einfacher Infrarotsensor ist ein elektrooptischer Bauteil, welcher eine Sensorfläche aufweist, an welcher eintreffende Infrarotstrahlung eine quantifizierbare elektrische Größe wie z.B. eine elektrische Spannung oder einen ohmschen Widerstand verändert, und in welchem aus dieser Änderung ein elektrisches Signal generiert wird.
  • Ein Infrarot-Matrixsensor 5 ist ein an sich bekannter und käuflich erwerbbarer Infrarotsensor bei welchem die Sensorfläche in nebeneinander liegende weitgehend unabhängig voneinander funktionierende Teilflächen unterteilt ist, welche unabhängig voneinander Detektionsergebnisse liefern können, wobei die Sensorfläche zur Lichtquelle hin durch eine optische Linse hin abgedeckt ist, durch welche erreicht wird, dass einfallendes Infrarotlicht in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung auf einen genau definierte Teilflächenbereich der Sensorfläche gelenkt wird. Den elektrischen Signalen aus den einzelnen Teilflächen der Sensorfläche kann damit eine Temperatur in den einzelnen Teilflächen der im Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors 5 liegenden Umgebung des Infrarot-Matrixsensors 5 zugeordnet werden. Das heißt, dass der Infrarot-Matrixsensor 5 ein in Form von elektrischen Signalen vorliegendes Wärmebild von dem in seinem Erfassungsbereich liegenden Umgebungsbereich generiert.
  • Für den vorliegenden Anwendungsfall vorteilhaft anwendbare Infrarot-Matrixsensoren 5, welche auf dem Prinzip von Thermoelementen basieren, haben beispielsweise Volumina im Bereich von einem halben Kubikzentimeter, Bildauflösungen in der Größenordnung von 100 Pixel, und Messfrequenzen von etwa zehn Wärmebildern pro Sekunde.
  • In der übergeordneten logischen Verarbeitungseinheit werden die Informationen aus einer Vielzahl von Einzelmessergebnissen aus dem Infrarot-Matrixsensor 5 sowie aus Messergebnissen von weiteren Sensoren, wie insbesondere Spannungssensoren (nicht dargestellt), welche die elektrische Spannungen in den einzelnen Zellen 1 messen, logisch miteinander verknüpft. Wie schon eingangs ausgeführt wird als wesentliches Ergebnis dieser logischen Verknüpfung jeweils für den aktuellen Zeitpunkt die Entscheidung generiert, ob eine Warnmeldung die auf einen gefährlichen Defekt im Akkumulator hinweist, auszugeben ist oder nicht.
  • An Abwandlungen oder Weiterentwicklungen zu der skizzierten Bauweise von erfindungsgemäßen Akkumulatoren, welche ebenfalls innerhalb des Erfindungsgedankens liegen, seien ohne Anspruch auf Vollständigkeit kurz erwähnt:
    • Das Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors 5 kann anstatt mittelbar über die spiegelnde Schicht 6 auch direkt auf die Zellen 1 hin ausgerichtet sein. Gegenüber der Ausführung mit spiegelnder Schicht 6 muss bei ansonsten vergleichbarer Auslegung die Höhe des Hohlraums 4 in welchem sich das Infrarotlicht von den Zellen 1 zum Infrarot-Matrixsensor 5 hin ausbreitet, größer bemessen werden.
  • Raumeinsparung im Tausch für etwas höheren Herstellungsaufwand ist erreichbar, indem eine Mehrzahl von Infrarot-Matrixsensoren 5 verwendet wird, welche in Abständen zueinander angeordnet sind, und deren Erfassungsbereich jeweils nur auf eine Teilmenge der Zellen 1 hin ausgerichtet ist.
  • Raumeinsparung im Tausch für etwas höheren Herstellungsaufwand ist auch erreichbar, indem für die Übertragung von Infrarotlicht von den Zellen 1 zum Infrarot-Matrixsensor 5 hin kein leerer Hohlraum 4 vorgesehen wird, sondern eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern, wobei die einzelnen Lichtwellenleiter von jeweils einer einzelnen Zelle 1 zum gemeinsam verwendeten Infrarot-Matrixsensor 5 führen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014106794 A1 [0006]

Claims (5)

  1. Elektrischer Akkumulator, welcher bestimmungsgemäß als Speicher für dessen Antriebsenergie in einem Fahrzeug für den Personentransport zu verbauen ist, wobei der Akkumulator eine Mehrzahl von galvanischen Zellen (1) und Sensoren für die Überwachung des Zustandes der einzelnen Zellen (1) zum Zwecke des Generierens von Warnmeldungen über das Versagen einzelner Zellen (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Sensoren ein Infrarot-Matrixsensors (5) ist, wobei der der Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors (5) eine Fläche umfasst, an welcher Oberflächenseiten mehrerer einzelner Zellen (1) nebeneinander liegen.
  2. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Matrixsensors (5) auf dem Prinzip von Thermoelementen basierend ist.
  3. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einem Abstand zu der Fläche, an welcher Oberflächenseiten der einzelnen Zellen (1) nebeneinander liegen, eine für Infrarotstrahlung spiegelnde Schicht (6) befindet, und dass die Ausbreitungslinie von Infrarotstrahlung (7), welche durch den Infrarot-Matrixsensors (5) zu detektieren ist, von den einzelnen Zellen (1) aus an die spiegelnde Schicht (6) und von dieser weiter zum Infrarot-Matrixsensors (5) führt.
  4. Elektrischer Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von in Abständen zueinander angeordneten Infrarot-Matrixsensoren (5) vorhanden ist, wobei sich der Erfassungsbereich der einzelnen Infrarot-Matrixsensoren (5) nur jeweils über eine Teilmenge von Zellen (1) erstreckt.
  5. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Infrarot-Matrixsensor (5) aus eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern zu jeweils einer einzelnen Zelle (1) führt.
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