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Die Erfindung betrifft eine Batterie. Die Batterie weist zumindest ein Batteriemodul, welches eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, und ein Batteriegehäuse auf, wobei das zumindest eine Batteriemodul in einem Innenraum des Batteriegehäuses angeordnet ist. Ferner umfasst die Batterie eine Erfassungsvorrichtung zum Erkennen eines thermischen Ereignisses innerhalb des Batteriegehäuses. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Batterien, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, oder als stationäre Energiespeicher, beispielsweise in Schiffen, verwendet werden können. Solche Batterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriemodulen auf, welche wiederum eine Vielzahl von miteinander verschalten Batteriezellen aufweisen und in einem Innenraum eines Batteriegehäuses angeordnet sind. Zellgehäuse der Batteriezellen weisen üblicherweise ein Entgasungselement auf, um ein bei einem thermischen Ereignis, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, in dem Zellgehäuse der Batteriezelle entstehendes Heißgas aus dem Zellgehäuse entweichen zu lassen. Dies wird auch als Notentgasung einer Batteriezelle bezeichnet.
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Die Notentgasung einer Batteriezelle führt üblicherweise zu einer Kettenreaktion an Notentgasungen mehrerer Batteriezellen, was auch als thermisches Durchgehen der Batterie bezeichnet wird. Dieses thermische Durchgehen kann zu einem Brand der Batterie und damit, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, zu einer Gefährdung von Personen führen. Um solche thermischen Ereignisse erkennen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Batterie mit einer Erfassungsvorrichtung auszustatten. Diese weist beispielsweise Drucksensoren zur Erfassung eines mit der Notentgasung verbundenen Druckanstiegs oder Temperatursensoren zur Erfassung eines mit der Notentgasung verbundenen Temperaturanstiegs in dem Innenraum des Batteriegehäuses auf.
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Drucksensoren können nur bedingt für höhere ASIL-Level verwendet werden, da sie eine hohe Falschalarmrate aufweisen. Temperatursensoren haben vor allem bei großen Batterien eine größere Entfernung zur zuerst entgasenden Batteriezelle, also zum Brandherd. Zudem weisen Temperatursensoren eine eigene thermische Trägheit auf, sodass es sein kann, dass Sensorleitungen, welche zu einer Auswerteeinrichtung von Sensorsignalen der Temperatursensoren führen, einem Brand zum Opfer fallen, bevor die Temperatursensoren anschlagen. So kann das zu einem personengefährdenden Brand führende thermische Ereignis nicht erkannt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, thermische Ereignisse bei Batteriezellen einer Batterie besonders sicher und zuverlässig erkennen zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie 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 Figur.
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Eine erfindungsgemäße Batterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug weist zumindest ein Batteriemodul, welches eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, auf. Außerdem weist die Batterie ein Batteriegehäuse auf, in dessen Innenraum das zumindest eine Batteriemodul angeordnet ist. Ferner umfasst die Batterie eine Erfassungsvorrichtung zum Erkennen eines thermischen Ereignisses innerhalb des Batteriegehäuses. Die Erfassungsvorrichtung weist zur Erkennung des thermischen Ereignisses zumindest einen Lichtsensor auf, welcher in dem Innenraum des Batteriegehäuses angeordnet ist und welcher dazu ausgelegt ist, eine mit dem thermischen Ereignis einhergehenden Lichtemission zu erfassen.
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Die Batterie ist insbesondere als ein wiederaufladbarer Hochvoltspeicher bzw. Hochvoltakkumulator ausgebildet, welcher als Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet wird. Auch kann die Batterie ein sogenannter Second-Life-Speicher oder ein stationärer Speicher sein. Die Batterie ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Batteriezellen der Batterie können beispielsweise prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouch-Zellen sein. Prismatische Zellen weisen ein flachquaderförmiges, starres Zellgehäuse auf, Rundzellen weisen ein starres, zylinderförmiges Zellgehäuse auf und Pouch-Zellen weisen ein Zellgehäuse in Form von einer flexiblen Folie auf. Die Batteriezellen sind zu zumindest einem Batteriemodul verschaltet, welches in dem Batteriegehäuse angeordnet ist. Das Batteriegehäuse ist insbesondere, bis auf zumindest ein Druckausgleichselement zum Druckausgleich mit einer Umgebung, dicht, insbesondere wasserdicht, verschlossen. Das Druckausgleichselement kann beispielsweise als eine lichtundurchlässige Membran ausgebildet sein, sodass in den Innenraum des Batteriegehäuses kein Licht aus der Umgebung einfällt. Der Innenraum des Batteriegehäuses ist somit dunkel.
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In dem Innenraum des Batteriegehäuses kann ein thermisches Ereignis auftreten. Als thermisches Ereignis wird hier insbesondere ein Ereignis bezeichnet, bei welchem sich eine Komponente der Batterie entzündet. Das thermische Ereignis kann beispielsweise ein Kabelbrand oder eine Notentgasung einer Batteriezelle sein. Bei einem thermischen Ereignis einer Batteriezelle, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss oder einer Überhitzung der Batteriezelle, bildet sich in dem Zellgehäuse ein Heißgas, welches zum Innendruckabbau aus dem Zellgehäuse entlassen wird. Dazu weisen die Batteriezellen beispielsweise jeweils ein Entgasungselement auf. Das Entgasungselement kann beispielsweise eine Berstmembran sein, welche eine Entgasungsöffnung in dem Zellgehäuse bedeckt. Sobald der Innendruck in dem Zellgehäuse einen bestimmten Grenzwert überschreitet, berstet die Berstmembran und gibt dadurch die Entgasungsöffnung frei, sodass das Heißgas entweichen kann. Das entweichende Heißgas ist brennbar und entzündet sich typischerweise aufgrund des Kontakts mit der Luft im Batteriegehäuse. Dies kann auf andere Batteriezellen überspringen, wodurch die Batteriezellen und damit die gesamte Batterie zu brennen beginnen können.
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Um den Brandherd, beispielweise die brennenden Batteriezelle oder das brennende Kabel, erkennen zu können, weist die Batterie die Erfassungsvorrichtung auf, welche teilweise oder vollständig in dem Batteriegehäuse angeordnet ist. Die Erfassungsvorrichtung weist den zumindest einen Lichtsensor bzw. Photodetektor auf, welcher vorzugsweise als eine Photodiode und/oder ein Photowiderstand und/oder ein CCD-Sensor und/oder ein CMOS-Sensor bzw. APS (Active Pixel Sensor) ausgebildet ist. Der zumindest eine Lichtsensor kann Licht im sichtbaren oder im nichtsichtbaren Bereich, beispielsweise im Infrarot- oder Ultraviolettbereich, erkennen.
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Da das thermische Ereignis mit einer Lichtemission, beispielsweise mit einer Flamme, verbunden ist, durch welche der dunkle Innenraum des Batteriegehäuses zumindest bereichsweise erleuchtet wird, kann das thermische Ereignis optisch mittels des zumindest einen Lichtsensors erfasst werden. Der zumindest eine Lichtsensor kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, das Licht, welches beispielsweise bei der Notentgasung emittiert wird, unter Benutzung des photoelektrischen Effekts in ein elektrisches Signal umwandeln. Das Sensorsignal des zumindest einen Lichtsensors kann an eine Auswerteeinrichtung, welche innerhalb oder außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sein kann, übermittelt werden und von der Auswerteeinrichtung verarbeitet werden. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise in ein batterieinternes Batteriesteuergerät integriert sein. Insbesondere ist Auswerteeinrichtung der Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt, anhand eines von dem zumindest einen Lichtsensor erfassten Lichtsignals eine Helligkeit und/oder Helligkeitsänderung in dem Innenraum zu bestimmen und das thermische Ereignis zu erkennen, falls die Helligkeit und/oder die Helligkeitsänderung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Auch kann der zumindest eine Lichtsensor ein Photowiderstand sein, welcher einen von dem einfallenden Licht abhängigen elektrischen Widerstand aufweist. Der Photowiderstand kann mit einer Auswerteeinrichtung in Form von einer Hardware-Schaltung verschaltet sein, welche beispielsweise einen Komparator umfasst.
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Eine Ereigniserkennung mittels Lichtsensoren ist besonders vorteilhaft, da die durch das thermische Ereignis verursachte Flamme zu einem großen relativen Helligkeitsanstieg in dem Batteriegehäuse führt und somit auch verdeckte Flammen einfach und schnell detektiert werden können.
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Besonders bevorzugt ist die Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt, bei Erkennen des thermischen Ereignisses ein Warnsignal zur Ausgabe an Fahrzeuginsassen des Kraftfahrzeugs und/oder zur Weiterleitung an eine fahrzeugexterne Einrichtung zu generieren. Das Warnsignal kann beispielsweise drahtgebunden oder drahtlos sowie direkt oder indirekt über ein weiteres Steuergerät an eine Ausgabeeinrichtung des Kraftfahrzeugs weitergeleitet werden, welche die Fahrzeuginsassen zum Abstellen und Verlassen des Kraftfahrzeugs auffordert. Auch kann das Warnsignal an eine fahrzeugexterne Einrichtung, beispielsweise eine Notrufzentrale, übermittelt werden, welche daraufhin Personal zur Löschung des Brands der Batterie schicken kann. Durch die schnelle, insbesondere mit Lichtgeschwindigkeit erfolgende Erkennung des thermischen Ereignisses mittels des zumindest einen Lichtsensors können beispielsweise Fahrzeuginsassen des Kraftfahrzeugs frühzeitig gewarnt werden, sodass eine Gefährdung der Fahrzeuginsassen verhindert wird.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung der Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, aus dem von dem zumindest einen Lichtsensor erfassten Lichtsignal einen Kontrast und/oder Farbanteile und/oder Tonwerte zu bestimmen und anhand des Kontrastes und/oder der Farbanteile und/oder der Tonwerte das thermische Ereignis zu verifizieren. Es können also mehrere Signalbestandteile des Sensorsignals herangezogen, um das thermische Ereignis erkennen zu können. Somit können Fehlalarme ausgeschlossen werden. Insbesondere kann durch die Auswertung der weiteren Signalbestandteile auch eine Schwere des thermischen Ereignisses erkannt werden. Darüber hinaus kann über das Lichtsignal das thermische Ereignis klassifiziert werden. Beispielsweise kann das thermische Ereignis als ein Kabelbrand oder eine Notentgasung klassifiziert werden. Anders ausgedrückt kann der Ursprung des thermischen Ereignisses erkannt werden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Erfassungsvorrichtung mehrere Lichtsensoren zum Erkennen und Lokalisieren des thermischen Ereignisses aufweist. Durch das Bereitstellen mehrerer Lichtsensoren kann das thermische Ereignis räumlich aufgelöst werden und einem Ort in dem Innenraum, beispielsweise einem bestimmten Batteriemodul, zugeordnet werden. Beispielsweise können die Lichtsensoren an unterschiedlichen Orten im Innenraum des Batteriegehäuses angeordnet sein oder in einem Sensorarray angeordnet sein, wie es beispielsweise von Digitalcamerachips bekannt ist. Beispielsweise kann das Batteriegehäuse in Teilbereiche unterteilt sein, wobei die Erfassungsvorrichtung für jeden Teilbereich zumindest einen Lichtsensor zum Erkennen und Lokalisieren des thermischen Ereignisses aufweist. So kann gewährleistet werden, dass ein thermisches Ereignis zuverlässig erkannt werden kann.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer Ausführungsform davon. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Personenkraftwagen.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Batteriegehäuse Batterie vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Die einzige Figur 1 zeigt eine Batterie 1, welche beispielsweise für ein hier nicht gezeigtes elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Die Batterie 1 weist mehrere Batteriemodule 2 auf, von welchen hier zwei Batteriemodule 2 gezeigt sind. Jedes Batteriemodul 2 weist mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen 3 auf, welche hier als prismatische Batteriezellen ausgebildet sind und zu Zellstapeln gestapelt sind. Die Batteriemodule 2 sind in einem Innenraum 4 eines Batteriegehäuses 5 angeordnet. Das Batteriegehäuse 5 kann beispielsweise aus metallischen Gehäusewänden gebildet sein. Das Batteriegehäuse 5 weist ein Druckausgleichselement 6 zum Druckausgleich mit einer Umgebung 7 des Kraftfahrzeugs auf, welches als eine lichtundurchlässige Membran ausgebildet ist. Der Innenraum 4 ist hier durch einen doppel-T-förmigen Träger 8 zum Abstützen des Batteriegehäuses 5 in zumindest zwei Teilbereiche 4a, 4b unterteilt. In jedem Teilbereich 4a, 4b ist zumindest ein Batteriemodul 2 angeordnet.
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Die Batteriezellen 3 weisen Zellgehäuse 9 mit Entgasungselementen 10 auf. Die Entgasungselemente 10 dienen zum Auslassen eines Heißgases, welches bei einem thermischen Ereignis einer Batteriezelle 3 in dem Zellgehäuse 9 dieser Batteriezelle 3 entsteht. Auch können andere thermische Ereignisse in dem Batteriegehäuse 4 auftreten, bei welchen sich Komponenten des Batterie 1 entzünden. Um ein solches thermisches Ereignis, welches zu einem Brand der Batterie 1 führen kann, erkennen zu können, weist die Batterie 1 eine Erfassungsvorrichtung 11 auf, welche hier vollständig in dem Innenraum 4 des Batteriegehäuses 5 angeordnet ist. Die Erfassungsvorrichtung 11 weist hier mehrere Lichtsensoren 12 sowie eine Auswerteeinrichtung 13 auf. Die Lichtsensoren 12 sind über eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsverbindung mit der Auswerteeinrichtung 13 verbunden. Die Auswerteeinrichtung 13 kann beispielsweise in ein Batteriesteuergerät integriert sein.
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Hier ist in jedem Teilbereich 4a, 4b zumindest ein Lichtsensor 12 angeordnet. Die Lichtsensoren 12 sind hier an einer Gehäusewand 14, beispielsweise einem Gehäusedeckel, des Batteriegehäuses 5 befestigt. Die Lichtsensoren 12 können als Photodioden, Photowiderstände, CCD-Sensoren, APS (Active-Pixel-Sensoren) oder dergleichen ausgebildet sein. Die Lichtsensoren 12 sind dazu ausgelegt, eine Flamme bzw. Lichtemission, welche mit der Notentgasung zumindest einer Batteriezelle 3 einhergeht, in dem Innenraum 4 des Batteriegehäuses 5 erkennen zu können. Dazu können von dem Lichtsensor 12 erfasste Lichtsignale von der Auswerteeinrichtung 13 ausgewertet werden. Die Lichtemission und damit das thermische Ereignis werden erkannt, wenn eine anhand des Lichtsignals bestimmte Helligkeit und/oder ein anhand des Lichtsignals bestimmter Helligkeitsanstieg einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Da hier in jedem Teilbereich 4a, 4b des Innenraums 4 zumindest ein Lichtsensor 12 angeordnet ist, kann das erkannte thermische Ereignis lokalisiert und dem zumindest einen, sich in dem Teilbereich 4a, 4b befindlichen Batteriemodul 2 zugeordnet werden.
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Sobald das thermische Ereignis erkannt wurde, kann die Auswerteeinrichtung 13 ein Warnsignal generieren, welches beispielsweise an eine Ausgabeeinrichtung des Kraftfahrzeugs weitergeleitet wird und Fahrzeuginsassen des Kraftfahrzeugs zum Verlassen des Kraftfahrzeugs auffordert. Auch kann das Warnsignal drahtlos an eine fahrzeugexterne Einrichtung, beispielsweise eine Notrufzentrale, weitergeleitet werden.
