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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Überwachung einer Fahrzeugbatterie im Hinblick auf ein Fluidniveau, insbesondere in Hinblick auf einen Wasserstand in einem Batteriegehäuse. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Fahrzeugbatterie mit einer solchen Messanordnung.
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Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
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Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.
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Die Batteriezellen oder Batteriemodule sind hierbei typischerweise in einem Batteriegehäuse der Fahrzeugbatterie aufgenommen. Zur Überwachung und zum Schutz sowie zur Steuerung und/oder Regelung der verschalteten Batteriezellen/-module ist in der Regel eine Batterieelektronik in Form eines Controllers als Steuergerät oder Batteriemanagement-System (BMS) vorgesehen.
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Zusätzlich zur Steuerung oder Überwachung von Betriebsfunktionen der Fahrzeugbatterie, wie beispielsweise Ladezustandserkennung, Tiefentladeschutz oder Überladeschutz, ist die Batterieelektronik beispielsweise mit einem Wasserstandsensor innerhalb des Batteriegehäuses gekoppelt, um das ungewünschte Eindringen von Wasser oder Feuchtigkeit in das Batteriegehäuse zu erfassen. Derartige Wasserstandsensoren sind kostenintensiv und müssen funktionsbedingt tief unten in dem Batteriegehäuse verbaut werden. Zur Kopplung an die Batterieelektronik weisen solche Wasserstandsensoren insbesondere einen automotivtauglichen elektrischen Anschluss auf.
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In der
DE 695 27 386 T2 ist eine Messanordnung zur Erfassung eines Fluidniveaus beschrieben, bei welcher Licht über eine optische Faser in eine Prismenvorrichtung geführt wird, welche dem Fluid derart ausgesetzt werden kann, dass in Abhängigkeit des Fluidniveaus eine Änderung der Lichtreflektion innerhalb der Prismenvorrichtung auftritt.
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Aus der
DE 69 32 118 U ist eine Fahrzeugbatterie mit einer automatischen Wassernachfüllvorrichtung, welche den Elektrolyten innerhalb der Zellengefäße auf einem vorgegebenen Niveau hält, bekannt, wobei ein Wasserstandssensor in Form ein Polymethacrylatkörper mit integrierten Lichtleitkabeln und mit einem freiendseitigen Prisma mit senkrecht aufeinanderstehenden Prismenflächen vorgesehen ist.
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Die
DE 43 19 922 C1 offenbart einen Elektrolytstandanzeiger für Akkumulatoren mit einem durch einen Gehäusedeckel geführten, in die Elektrolytflüssigkeit eintauchenden stabförmigen Sensor und einer Signaleinrichtung, welche bei einem Absinken des Elektrolytpegels unter das untere Sensorende ein optisches Signal erzeugt. Der Sensor besteht aus einem elektrolytbeständigen Lichtleitstab und einem Lichtsender, der durch den Lichtstab in Richtung auf die Elektrolytflüssigkeit einen Lichtstrahl sendet, der beim Absinken des Elektrolytpegels unter das untere Ende des Lichtleitstabes total reflektiert wird und am oberen Ende des Lichtleitstabes eine das optische Signal bildende elektronische Einrichtung ansteuert.
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In der
JP S60-146119 A ist eine Flüssigkeitsstanderfassung mit Hilfe eines optischen Sensors beschrieben. Hierbei wird Licht wird in eine optische Faser eingekoppelt und an einer Endfläche der optischen Faser in einen Raum projiziert. Das Licht wird von einer reflektierenden Oberfläche eines auf der Flüssigkeit schwimmenden Schwimmers reflektiert und von einer Endfläche einer lichtempfangenden optischen Faser empfangen, und durch ein Lichtempfangselement in eine elektrische Größe umgewandelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Messanordnung zur Erfassung eines Fluidniveaus in einer Fahrzeugbatterie anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst kostengünstige und automotivtaugliche Messanordnung angegeben werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Fahrzeugbatterie mit einer solchen Messanordnung anzugeben.
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Hinsichtlich der Messanordnung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Fahrzeugbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 5 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Messanordnung angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Fahrzeugbatterie übertragbar und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Messanordnung ist zur Überwachung einer Fahrzeugbatterie im Hinblick auf ein Fluidniveau geeignet und eingerichtet. Unter einem Fluidniveau oder Fluidstand ist hier und im Folgenden insbesondere die Höhe eines Fluidspiegels, also der Fluidoberfläche, in Bezug auf eine definierte Marke, insbesondere in Bezug auf den Boden eines Batteriegehäuses der Fahrzeugbatterie, zu verstehen. Das überwachte Fluid ist insbesondere Wasser, dies bedeutet, dass die Messanordnung insbesondere als ein Wassersensor oder Wasserstandsensor der Fahrzeugbatterie ausgebildet ist.
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Die Messanordnung weist ein Lichtwellenleiterpaar mit einem ersten und zweiten Lichtwellenleiter auf, welches in die Fahrzeugbatterie beziehungsweise innerhalb der Fahrzeugbatterie geführt ist. Die Messanordnung weist weiterhin ein optisches Modul mit einer Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines optischen Messsignals in einen ersten Lichtwellenleiter, und mit einer Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals in dem zweiten Lichtwellenleiter und zur Weiterleitung des Antwortsignals an eine Auswerteeinheit auf.
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Ein Umlenkelement ist an der batterieseitigen Stirnseite des Lichtwellenleiterpaares angeordnet oder anordbar. Das Umlenkelement ist dazu vorgesehen und eingerichtet, das Messsignal des ersten Lichtwellenleiters als Antwortsignal in den zweiten Lichtwellenleiter zumindest teilweise zu übertragen, also umzulenken oder einzukoppeln. Das Umlenkelement ist hierbei in einem fluiddurchlässigen Umlenkelementgehäuse innerhalb der Fahrzeugbatterie angeordnet.
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Das Umlenkelement ist derart ausgebildet, dass es bei einer Änderung des Fluidniveaus in der Fahrzeugbatterie zu einer Übertragungsänderung zwischen den Lichtwellenleitern des Lichtwellenleiterpaares kommt. Dies bedeutet, dass es bei einer Fluidniveauänderung zu einer Änderung der Übertragung oder Übermittlung des Messsignals als Antwortsignals kommt. Mit anderen Worten wird beispielsweise ein größerer oder geringerer Anteil des Messsignals als Antwortsignal in den zweiten Lichtwellenleiter geführt. Dadurch ist eine besonders geeignete Messanordnung realisiert.
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Unter einer Übertragungsänderung zwischen den Lichtwellenleitern ist hierbei insbesondere eine Änderung der Signalausbreitung von dem ersten Lichtwellenleiter über das Umlenkelement in den zweiten Lichtwellenleiter zu verstehen. Das Messsignal und das Antwortsignal sind optische Lichtsignale, beispielsweise in Form eines kontinuierlichen Lichtstrahls oder eines gepulsten oder getakteten Lichtstrahls beziehungsweise als Lichtimpulse.
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Unter einer Änderung des Fluidniveaus oder einer Fluidniveauänderung ist hierbei insbesondere eine Zunahme des Fluidniveaus in der Fahrzeugbatterie beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse zu verstehen, bei welcher das Umlenkelement zumindest teilweise in Kontakt mit dem ansteigenden Fluidspiegel beziehungsweise mit dem Fluid kommt, wodurch die Signalausbreitung des Messsignals über das Umlenkelement beeinflusst wird. Durch die Beeinflussung der Signalausbreitung im Zuge eines Ansteigens des Fluidspielgels ist es in einfacher Art und Weise möglich, mittels der Auswerteeinheit ein Fluidniveau in der Fahrzeugbatterie zu erfassen und zu überwachen. Mit anderen Worten wirkt das Lichtwellenleiterpaar mit dem Umlenkelement als ein Mess- oder Sensorelement zur Erfassung eines Fluidniveaus oder Fluidstands der überwachten Fahrzeugbatterie. Dadurch ist auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Überwachung einer Fahrzeugbatterie im Hinblick auf ein eindringendes Fluid oder Wasser realisiert.
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Das Umlenkelement weist bei einem niedrigen oder nicht vorhandenen Fluidstand im Umlenkelementgehäuse einen im Wesentlichen bekannten Übertragungsgrad, also ein Maß was für ein Anteil des Messsignals als Antwortsignal in den zweiten Lichtwellenleiter übertragen wird, auf. Die Fluidniveauänderung wirkt sich auf den Übertragungsgrad aus, so dass es mittels des Umlenkelements zu einer Übertragungsänderung zwischen den Lichtwellenleitern kommt. Dadurch wird die Signalausbreitung beeinflusst, so dass mittels einer Auswertung der Signalausbreitung, also durch Auswertung des Antwortsignals, ein Rückschluss auf die Übertragungsänderung und somit auf die Fluidniveauänderung möglich ist.
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Die Auswerteeinheit ist hierbei geeigneterweise dazu ausgelegt und eingerichtet, anhand der durch die Empfangseinheit erfassten Signalausbreitung des Messsignals anhand des Antwortsignals auf die Übertragungsänderung, und somit auf die Fluidniveauänderung zurückzuschließen, und diese zu bestimmen. Insbesondere wird bei der Signalauswertung auch eine Leitungsdämpfung aufgrund des Leitermaterials der Lichtwellenleiter und/oder des Umlenkelements berücksichtigt. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Die Lichtwellenleiter sind beispielsweise als optische Fasern oder als optische Faserbündel ausgeführt. Die Einspeiseeinheit ist beispielsweise eine Lichtquelle, insbesondere ein Laserdioden-Halbleiter (Laserdiode), wobei die Empfangseinheit insbesondere als ein Fotodioden-Halbleiter (Fotodiode) ausgebildet ist. Die Einspeiseeinheit und die Empfangseinheit sind vorzugsweise als eine gemeinsame Sende-Empfangseinheit, also als ein Transceiver, ausgestaltet.
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Die Auswerteeinheit ist beispielsweise ebenfalls Teil des Transceivers, so dass die Auswertung direkt am Empfangsort erfolgt. Alternativ ist die Auswerteeinheit extern, also separat zu der Messanordnung ausgeführt. Insbesondere bei einer Anwendung der Messanordnung in einem Kraftfahrzeug ist beispielsweise vorgesehen, dass die von der Empfangseinheit empfangenen Antwortsignale an eine Auswerteeinheit weitergeleitet werden, welche beispielsweise Teil eines Batteriemanagements und/oder eines übergeordneten (Kraftfahrzeug-)Steuergeräts ist. Dadurch ist eine besonders kostengünstige und resourceneffiziente Auswertung ermöglicht.
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Durch diese Überwachung ist es möglich, das Fluidniveau eines Fluids innerhalb der Fahrzeugbatterie zuverlässig und betriebssicher zu erfassen. Insbesondere kann die Fahrzeugbatterie dahingehend überwacht werden, dass ein Fluid einen zulässigen maximalen Fluidstand innerhalb der Fahrzeugbatterie oder eines Batteriegehäuses nicht überschreitet. Die Auswerteeinheit ist hierbei beispielsweise dazu geeignet und eingerichtet, einem Benutzer das aktuelle Fluidniveau anzuzeigen oder zu kommunizieren, und gegebenenfalls ein Warnsignal zu erzeugen, falls das Niveau des Fluids eine ungewünschte Höhe innerhalb der Fahrzeugbatterie beziehungsweise innerhalb des Umlenkelementgehäuses erreicht oder überschreitet.
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In einer bevorzugten Ausführung ist das optische Modul als ein faseroptischer Sender-Empfänger (Fiber Optical Transceiver, FOT) mit einer kombinierten Einspeise- und Empfangseinheit ausgeführt. Der FOT ist hierbei mit einer Bussystemtechnologie, insbesondere mit einem Media Oriented System Transport-Bussystemtechnologie (MOST-Bus), ausgeführt. Mit anderen Worten ist das optische Modul für eine MOST-kompatible Aussendung, Übertragung und Empfang von optischen Signalen geeignet und eingerichtet. Dies bedeutet, dass das optische Modul insbesondere als ein MOST FOT-Baustein ausgeführt ist.
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Der MOST-Bus ist ein serielles Bussystem, welches zur Übertragung von Datensignalen über Lichtwellenleiter geeignet und eingerichtet ist. Die MOST-Technologie wird regelmäßig in Multimediaanwendungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, so dass durch den Einsatz eines MOST FOT-Bausteins eine besonders kostengünstige und automotivtaugliche oder automotivqualifizierte, optische Kommunikation über das Lichtwellenleiterpaar zur Bestimmung des Fluidniveaus innerhalb der Fahrzeugbatterie realisiert ist.
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Der faseroptische Sender-Empfänger verwendet faseroptische Technologie zum Senden und Empfangen der Mess- und Antwortsignale. Der Sender-Empfänger verfügt hierbei über elektronische (Wandler-)Komponenten zum Konditionieren und Kodieren oder Dekodieren von Daten in Lichtimpulse (und umgekehrt) und sendet diese dann insbesondere als elektrische Signale an die gekoppelte Auswerteeinheit. Die optischen Mess- und Antwortsignale der Messanordnung sind insbesondere nach Art von MOST-Bussignalen erzeugt.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das Lichtwellenleiterpaar mit einer ersten Steckverbindung an das optische Modul gekoppelt. Dies bedeutet, dass das Lichtwellenleiterpaar an der modulseitigen Stirnseite beispielsweise mit einem Steckverbinder versehen ist, welcher mit einer entsprechenden Steckbuchse des optischen Moduls steckverbunden oder steckverbindbar ist. Die Steckverbindung beziehungsweise der Steckverbinder oder die Steckbuchse sind hierbei vorzugsweise nach der MOST-Technologie ausgeführt. Dadurch wird eine zuverlässige, betriebssichere und automotivtaugliche Kopplung des Lichtwellenleiterpaares an das optische Modul realisiert.
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In einer geeigneten Ausgestaltung ist die batterieseitige Stirnseite des Lichtwellenleiterpaares mit einer zweiten Steckverbindung an das Umlenkelementgehäuse gekoppelt. Das Lichtwellenleiterpaar weist hierbei zweckmäßigerweise einen MOST-kompatiblen Steckverbinder auf, welcher in einer entsprechenden Steckbuchse des Umlenkelementgehäuses einsteckbar ist. Dadurch ist auch eine einfache, zuverlässige und aufwandreduzierte Kopplung an das das Umlenkelement aufnehmende Umlenkelementgehäuse realisiert.
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In einer denkbaren, nicht erfindungsgemäßen, Ausbildung ist das Umlenkelement ein fest mit der batterieseitigen Stirnseite des Lichtwellenleiterpaares gekoppeltes optisches Prisma. Das Prisma ist derart an den ersten Lichtwellenleiter angebunden, dass die optischen Messsignale in das Prisma einkoppeln und dort insbesondere mittels Totalreflexion (total internal reflection, TIR) an Prismaflächen in Richtung des zweiten Lichtwellenleiters umgelenkt werden. Der zweite Lichtwellenleiter ist geeigneterweise derart an das Prisma angebunden, dass die reflektierten und umgeleiteten optischen Signale als Antwortsignal möglichst verlustfrei in den zweiten Lichtwellenleiter eingekoppelt werden können. Das Prisma ist im Querschnitt insbesondere dreieckförmig, vorzugsweise rechtwinklig-dreieckförmig, wobei das Lichtwellenleiterpaar hypothenusenseitig angeordnet ist, so dass eine zweimalige Totalreflektion an den Kathetenseiten des Prismas (Ankathete, Gegenkathete) stattfindet.
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Bei einem steigenden Fluidniveau kommt das Prisma in Berührungskontakt mit dem Fluid. Dadurch verändert sich der Brechungsindex an der Grenz- oder Übergangsflächen des Prismas, insbesondere wird somit der Brechungsindex in der Prismaumgebung auf einen Wert größer als der Brechungsindex des Prismamaterials erhöht, wodurch keine Totalreflektion an den Prismaseiten stattfindet. Dadurch wird das Messsignal nicht mehr als Antwortsignal in den zweiten Lichtwellenleiter reflektiert, wodurch der Übertragungsgrad reduziert wird. Dies bedeutet, dass die Amplitude oder die Intensität des Antwortsignals reduziert wird, wodurch eine einfache Erfassung des Fluidniveaus realisiert ist.
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In einer denkbaren Ausführungsform werden die Lichtsignale, also das Messsignal, welche aus dem MOST FOT-Baustein kommen, mittels des Prismas zurück zum MOST FOT-Baustein als Antwortsignale umgelenkt, wenn sich kein Fluid oder Wasser in der Fahrzeugbatterie beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse befindet. Befindet sich hingegen ein Fluid oder Wasser in der Fahrzeugbatterie beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse, werden die Messsignale, welche aus dem MOST FOT-Baustein kommen, durch den veränderten Brechungsindex an der Prisma-Fluid-Grenzfläche nicht zurückgelenkt. Dadurch wird kein Antwortsignal von dem MOST FOT-Baustein empfangen.
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Erfindungsgemäß ist das Umlenkelement als ein mechanischer Schwimmer ausgeführt. Das Umlenkelement ist also als ein Körper mit einem (statischen) Auftrieb in dem Fluid ausgebildet, wobei der Auftrieb vorzugsweise groß genug ist, dass das Umlenkelement nicht vollständig in das Fluid eintaucht, also das Fluidniveau oder den Fluidstand zumindest teilweise emporsteht. Bei einem zunehmenden Fluidniveau wird das Umlenkelement oder der Schwimmer also angehoben und somit an die batterieseitige Stirnseite der Lichtwellenleiter geführt. Erfindungsgemäß ist hierbei ein dritter Lichtwellenleiter in dem Umlenkelement integriert, welcher bei einem entsprechenden Fluidniveau, bei welchem das Umlenkelement im Wesentlichen in Kontakt mit der batterieseitigen Stirnseite des Lichtwellenleiterpaars ist, das Messsignal des ersten Lichtwellenleiters führt und als Antwortsignal in den zweiten Lichtwellenleiter einspeist. Dies bedeutet, dass die Lichtleitung oder Umlenkung mechanisch durch das veränderbare Fluidniveau gesteuert ist.
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Befindet sich kein oder ein lediglich geringes Fluidniveau in der Fahrzeugbatterie beziehungsweise dem Umlenkelementgehäuse liegt das Umlenkelement im Wesentlichen auf einem Boden auf und ist somit beabstandet zu dem Lichtwellenleiterpaar angeordnet. Dadurch werden die Messsignale, welche aus dem MOST FOT-Baustein kommen, nicht umgelenkt, wenn sich kein Fluid oder Wasser in der Fahrzeugbatterie beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse befindet. Befindet sich hingegen ein Fluid oder Wasser in der Fahrzeugbatterie beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse, wird das Umlenkelement durch den steigenden Fluidstand angehoben und an die Lichtwellenleiter geführt. Dadurch werden die Messsignale, welche aus dem MOST FOT-Baustein kommen, über den dritten Lichtwellenleiter des Umlenkelements zurückgelenkt. Dadurch wird ein Antwortsignal von dem MOST FOT-Baustein empfangen.
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In einer bevorzugten Anwendung ist die Messanordnung Teil der zu überwachenden Fahrzeugbatterie. Die Fahrzeugbatterie ist vorzugsweise ein fahrzeuginterner Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Die Fahrzeugbatterie weist hierbei ein Batteriegehäuse und eine Batterieelektronik in Form eines Controllers oder Batteriemanagements auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller beziehungsweise die Batterieelektronik zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem eine Funktionalität zum Betrieb der zugeordneten Fahrzeugbatterie in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zum Betrieb der Fahrzeugbatterie mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Batterieelektronik oder der (Batterie-)Controller eine Leiterplatte aufweist, auf welcher das optische Modul beziehungsweise der MOST FOT-Baustein der Messanordnung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das optische Module oder der MOST FOT-Baustein auf einer Leiterplatte oder Platine der BatterieManagement-Elektronik der Fahrzeugbatterie angeordnet. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige Anordnung des optischen Moduls realisiert, insbesondere ist das optische Modul hierbei außerhalb des Batteriegehäuses - und somit räumlich beabstandet oder getrennt von dem möglichen Fluidniveau - angeordnet.
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In einer zweckmäßigen Ausführung ist das Umlenkelementgehäuse an einem Boden des Batteriegehäuses angeordnet. Ein ungewünscht in das Batteriegehäuse eintretendes oder einströmendes Fluid sammelt sich schwerkraftbedingt am Boden, also an einem dem Untergrund zugewandten Gehäusebereich, so dass die Anordnung des Umlenkelementgehäuses eine besonders zuverlässige und schnelle Erfassung des Fluidniveaus ermöglicht.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
- 1 eine Fahrzeugbatterie mit einem Batteriegehäuse und mit einer Batterieelektronik sowie mit einer Messanordnung zur Überwachung der Fahrzeugbatterie im Hinblick auf ein Fluidniveau,
- 2 eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform der Messanordnung bei einem nicht mit Fluid gefüllten Batteriegehäuse,
- 3 die Messanordnung gemäß 2 bei einem Fluidniveau innerhalb des Batteriegehäuses,
- 4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Messanordnung bei einem nicht mit Fluid gefüllten Batteriegehäuse, und
- 5 die Messanordnung gemäß 4 bei einem Fluidniveau innerhalb des Batteriegehäuses.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Fahrzeugbatterie 2 eines Kraftfahrzeugs, mit einem Batteriegehäuse 4, in welchem beispielhaft vier Batteriemodule 6 aufgenommen sind. Zur Steuerung und/oder Regelung des Batteriebetriebs weist die Fahrzeugbatterie 2 einen Controller oder eine Batterieelektronik 8 als Batteriemanagement auf. Die Batterieelektronik 8 ist beispielsweise außerhalb des Batteriegehäuses 4 angeordnet.
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Die Fahrzeugbatterie 2 ist mit einer Messanordnung 10 zur Überwachung der Fahrzeugbatterie 2 beziehungsweise des Batteriegehäuses 4 im Hinblick auf ein Fluidniveau 12 eines Fluids 14 (3, 5) auf. Das Fluid 14 ist hierbei insbesondere Wasser, dies bedeutet, dass die Messanordnung 10 insbesondere als ein Wassersensor oder Wasserstandsensor der Fahrzeugbatterie 2 beziehungsweise des Batteriegehäuses 4 ausgebildet ist.
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Nachfolgend ist eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform der Messanordnung 10 anhand der 2 und 3 näher erläutert.
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Die Messanordnung 10 weist ein optisches Modul 16 auf, welches auf einer Leiterplatte der Batterieelektronik 8 angeordnet ist. Das Modul 16 ist als ein faseroptischer Sende-Empfänger in Form eines MOST FOT-Bausteins ausgeführt, und weist eine Einspeiseeinheit 18 auf, welche mit einer Empfängereinheit 20 kombiniert ist. Die Einspeiseeinheit 18 ist beispielsweise als ein lichterzeugendes Laserdioden-Halbleiterelement (Laserdiode) ausgeführt, wobei die Empfängereinheit 20 beispielsweise als ein lichtsensitives Fotodioden-Halbleiterelement (Fotodiode) ausgeführt ist.
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Mittels der Einspeiseeinheit 18 wird im Betrieb der Messanordnung 10 ein optisches Messsignal 22 erzeugt, und in einen Lichtwellenleiter 24 eines Lichtwellenleiterpaares 26 eingespeist. Das Lichtwellenleiterpaar 26 ist von der Batterieelektronik 8 beziehungsweise von dem Modul 16 in das Batteriegehäuse 4 oder in dem Batteriegehäuse 4 geführt. Das Messsignal 22 ist beispielsweise ein Lichtstrahl oder eine Folge von Lichtimplusen, welche über den beispielsweise als optische Faser oder als optisches Faserbündel ausgeführten Lichtwellenleiter 24 von dem optischen Modul 16 zu einem fluiddurchlässigen Umlenkelementgehäuse 28 geführt wird. Das Messsignal 22 tritt an einer batterieseitigen Stirnseite 30 des Lichtwellenleiterpaares 26 beziehungsweise des Lichtwellenleiters 24 aus, und wird in ein daran angeordnetes Prisma als Umlenkelement 32 eingekoppelt.
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Das Prisma oder Umlenkelement 32 weist im Querschnitt die Form eines rechtwinkeligen Dreiecks auf, wobei die Hypotenuse an der Stirnseite 30 anliegt. Das aus der Stirnseite 30 in das Umlenkelement 32 eintretende Messsignal 22 wird über eine zweifache Totalreflexion innerhalb des Umlenkelements 32 zu der Stirnseite 30 zurückreflektiert, und tritt dort als ein Antwortsignal 34 in einen (zweiten) Lichtwellenleiter 36 des Lichtwellenleiterpaares 26 ein. Der Verlauf des Messsignals 22 ist in den Figuren mit Pfeilen schematisch dargestellt.
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Das fluid- oder wasserdurchlässige Umlenkelementgehäuse 28 ist an einem (Gehäuse-)Boden 38 des Batteriegehäuses 4 angeordnet.
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Das Lichtwellenleiterpaar 26 weist an seinen Enden jeweils einen Steckverbinder 40, 42 auf. Das Lichtwellenleiterpaar 26 ist mittels des Steckverbinders 40 an das optische Modul 16 einerseits, und mittels des Steckverbinders 42 an das Umlenkelementgehäuse 28 andererseits als MOST-Steckverbindungen angeschlossen.
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Im Betrieb werden die Messsignale 22, welche aus dem MOST FOT-Baustein beziehungsweise aus dem Modul 16 kommen, mittels des Prismas 32 als Antwortsignale 34 zurück zur Empfangseinheit 20 des Moduls 16 umgelenkt, wenn sich kein Fluid oder Wasser 14 in der Fahrzeugbatterie 2 beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse 28 befindet (2).
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Tritt das Fluid 14 in das Batteriegehäuse 4 ein, so nimmt das Fluidniveau 12 ausgehend vom Boden 38 zu. Dadurch tritt das Fluid 14 auch in das fluiddurchlässige Umlenkelementgehäuse 28 ein. Bei einem hinreichend angestiegenen Fluidniveau 12 kommt das Prisma 32 in Berührungskontakt mit dem Fluid 14. Dadurch werden die Messsignale 22 aufgrund des veränderten Brechungsindex an der Prisma-Fluid-Grenzfläche nicht totalreflektiert oder zu dem Lichtwellenleiter 36 zurückgelenkt. Dadurch wird kein Antwortsignal 34 von der Empfangseinheit 20 empfangen.
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Das Modul 16 leitet das empfangene Antwortsignals 34 an eine Auswerteeinheit der Batterieelektronik 8 weiter. Die Auswerteeinheit der Batterieelektronik 8 ist hierbei geeignet und ausgestaltet anhand der Amplitude des Antwortsignals 34 den Fluidstand 12 im Umlenkelementgehäuse 28 und somit im Batteriegehäuse 4 zu bestimmen.
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Die 4 und 5 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Messanordnung 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein als mechanischer Schwimmer ausgebildetes Umlenkelement 44 in dem Umlenkelementgehäuse 28 angeordnet. Das Umlenkelement oder der Schwimmer 44 ist als ein Körper mit einem (statischen) Auftrieb in dem Fluid 14 ausgebildet, wobei der Auftrieb groß genug dimensioniert ist, dass der Schwimmer 44 nicht vollständig in das Fluid 14 eintaucht, also dem Fluidniveau 12 zumindest teilweise emporsteht (5). Dadurch wird der Schwimmer 44 bei einem zunehmenden Fluidniveau 12 von dem Boden 38 angehoben, und somit an die Stirnseite 30 des Lichtwellenleiterpaares 26 geführt.
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Der Schwimmer 44 weist einen integrierten Lichtwellenleiter 46 auf, welcher bei einem - in 4 gezeigten - Fluidniveau 12, bei welchem der Schwimmer 44 in Kontakt mit der Stirnseite 30 des Lichtwellenleiterpaars 26 ist, das Messsignal 22 des Lichtwellenleiters 24 führt und als Antwortsignal 34 in den Lichtwellenleiter 36 einspeist.
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Befindet sich kein oder ein lediglich geringes Fluidniveau 12 in der Fahrzeugbatterie 2 beziehungsweise dem Umlenkelementgehäuse 28 liegt der Schwimmer 44 im Wesentlichen auf einem Boden auf, und ist somit beabstandet zu dem Lichtwellenleiterpaar 26 angeordnet (4). Dadurch werden die Messsignale 22, welche aus dem Modul 16 kommen, nicht in den Lichtwellenleiter 36 umgelenkt, wenn sich kein ausreichend hohes Fluidniveau 12 in der Fahrzeugbatterie 2 beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse 28 befindet. Befindet sich hingegen ein ausreichend hohes Fluidniveau 12 in der Fahrzeugbatterie 2 beziehungsweise in dem Umlenkelementgehäuse 28, wird der Schwimmer 44 durch das Fluid 14 angehoben, und an die Lichtwellenleiter 24, 36 geführt. Dadurch werden die Messsignale 22, welche aus dem Modul 16 kommen, über den Lichtwellenleiter 46 in den Lichtwellenleiter 36 umgelenkt. Dadurch wird ein Antwortsignal 34 von dem Modul 16 empfangen und an die Auswerteeinheit der Batterieelektronik 8 weitergeleitet.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Fahrzeugbatterie
- 4
- Batteriegehäuse
- 6
- Batteriemodul
- 8
- Batterieelektronik
- 10
- Messanordnung
- 12
- Fluidniveau
- 14
- Fluid
- 16
- Modul
- 18
- Einspeiseeinheit
- 20
- Empfangseinheit
- 22
- Messsignal
- 24
- Lichtwellenleiter
- 26
- Lichtwellenleiterpaar
- 28
- Umlenkelementgehäuse
- 30
- Stirnseite
- 32
- Umlenkelement/Prisma
- 34
- Antwortsignal
- 36
- Lichtwellenleiter
- 38
- Boden
- 40, 42
- Steckverbinder
- 44
- Umlenkelement/Schwimmer
- 46
- Lichtwellenleiter
