-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Batteriegehäuses auf einen Wassereintritt mit einem Sensor in dem Batteriegehäuse.
-
Die
DE 10 2015 008 491 A1 beschreibt die Überwachung einer Batterie für ein Kraftfahrzeug oder für einen stationären Speicher mit einem Fluidsensor. Dieser Fluidsensor kann entweder für Gase empfindlich sein und kann beispielsweise Rauchgase oder dgl. in dem Batteriegehäuse erfassen und bei Bedarf eine Warnmeldung generieren. Ein alternativer in der Anmeldung beschriebener Sensortyp ist dafür geeignet, Wasser oder Feuchtigkeit in dem Batteriegehäuse zu erfassen und in diesem Fall eine Warnmeldung zu generieren.
-
Kritisch ist dabei insbesondere Wasser, welches beispielsweise durch Leckagen im Bereich der Kühlleitungen oder sonstige Undichtheiten am Speichergehäuse in dieses eintritt. Wird eine gewisse Füllhöhe in dem Batteriegehäuse erreicht, kann es schlimmstenfalls zu einer Elektrolyse kommen und ein zündfähiges Knallgasgemisch entsteht. Die Herausforderung ist dabei die Detektion von Wasser in dem Batteriegehäuse, und zwar im Unterschied zur reinen Feuchtigkeit, welche durch eine Betauung entsteht und typischerweise unkritisch ist. Der eingangs genannte Sensor, sofern er als Feuchte-/Wassersensor eingesetzt wird, ist insbesondere für fehlerhafte Diagnosen aufgrund von Betauung anfällig.
-
Eine weitere Art, Wassereintritt in ein Batteriegehäuse zu detektieren, wird in der
US 9,853,330 B2 beschrieben. In diesem Fall wird der Isolationswiderstand im Bereich des Bodens des Batteriegehäuses gemessen. Dies funktioniert prinzipiell. Ist jedoch die Überwachung von verschiedenen Stellen am Boden des Batteriegehäuses notwendig, entsteht ein erheblicher Aufwand hinsichtlich der Verkabelung.
-
Weitere Gassensoren analog denen in der eingangs genannten Schrift sind ferner in der
DE 10 2011 089 977 A1 oder auch der
DE 10 2016 213 364 A1 beschrieben. Diese sind jedoch nur in der Lage Gase, welche bei einem Brand entstehen oder aus den Zellen der Batterie ausgasen, entsprechend zu detektieren.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Überwachung eines Batteriegehäuses auf einen Wassereintritt mit einem Sensor in dem Batteriegehäuse weiter zu verbessern und insbesondere einen einfachen und zuverlässig ansprechenden Aufbau bereitzustellen, welcher einen Wassereintritt an annähernd jeder beliebigen Stelle innerhalb des Batteriegehäuses zuverlässig detektieren kann.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. In den Ansprüchen 9 und 10 sind außerdem bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Batteriegehäuses auf einen Wassereintritt umfasst, ähnlich wie die Vorrichtungen im Stand der Technik einen Sensor in dem Batteriegehäuse. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in einem Bodenbereich des Batteriegehäuses an wenigstens einer, vorzugsweise mehreren verteilt über den Boden des Batteriegehäuses angeordneten Stellen, ein Pulver oder Granulat angeordnet ist, welches bei Kontakt mit flüssigem Wasser ein Gas freisetzt, wobei der Sensor als ein für das freigesetzte Gas empfindlicher Sensor ausgebildet ist.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass sie ohne eine Mehrzahl an Sensoren zu benötigen, welche entsprechend positioniert und verkabelt werden müssen, in der Lage ist, an einer oder mehreren Stellen im Bodenbereich des Batteriegehäuses den Eintritt von flüssigem Wasser, sei es aus einer Leckage der Kühlleitungen oder aufgrund einer äußeren Leckage des Batteriegehäuses festzustellen. Das Wasser kommt mit dem Pulver oder Granulat in Kontakt und ein Gas wird durch den Kontakt des Wassers mit dem Pulver oder Granulat freigesetzt. Dieses Gas verbreitet sich dann in dem Batteriegehäuse und lässt sich einfach und effizient über einen einzigen Sensor entsprechend detektieren. Je nach eingesetztem Gas, für welches dieser Sensor empfindlich ist, kann auch die Position des Sensors entsprechend angepasst werden. Wird beispielsweise ein Gas freigesetzt, welches leichter als die typischerweise im Batteriegehäuse vorhandene Luft ist, bietet sich die Anordnung des Sensors in einem dem Bodenbereich abgewandten oberen Bereich an, handelt es sich um ein Gas, welches schwerer als Luft ist, dann kann der Sensor auch entsprechend im Bodenbereich angeordnet werden.
-
Das Pulver oder Granulat kann dabei so ausgebildet sein, dass es ein Salz umfasst, beispielsweise ein Salz der Kohlensäure und eine in fester Form vorliegende Säure, wie beispielsweise Zitronensäure, Apfelsäure oder dergleichen. Das Salz der Kohlensäure, welches beispielsweise ein Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat oder auch Kaliumcarbonat sein kann, wie es aus dem Bereich von Brausetabletten bekannt ist, reagiert dann mit der Säure, sobald diese mit Wasser in Berührung kommt. Dabei wird Kohlendioxid freigesetzt, welches über einen entsprechenden Kohlendioxidsensor gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung detektiert werden kann. Andere chemische Mechanismen, welche Kohlendioxid oder auch ein anderes Gas freisetzen, sind dabei neben diesem Beispiel ebenfalls denkbar.
-
Neben der prinzipiell bekannten Freisetzung von Kohlendioxid als Gas können auch andere Gase freigesetzt werden. Besonders geeignet wären hier flüchtige Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff oder Ammoniak, da die entsprechenden Sensoren für derartige Gase eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Als Basis zur Freisetzung von Ammoniak kann beispielsweise ein Feststoffgemisch als Pulver oder Granulat aus Ammoniumnitrat und einer Base als Feststoff, wie beispielsweise Natriumhydroxid oder einem Basenbildner, wie Calciumoxid dienen.
-
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Pulver oder Granulat dabei zu einer Tablette verpresst sein. Eine solche Tablette lässt sich einfach und effizient handhaben und lässt sich damit auch entsprechend leicht an verschiedenen Stellen des Bodenbereichs des Batteriegehäuses positionieren und dort beispielsweise über einen Klebepunkt befestigen.
-
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der Idee kann dabei das Pulver oder Granulat, insbesondere die Tablette, in einer gegenüber dem Boden des Batteriegehäuses thermisch isolierten Position angeordnet sein. Die thermische Isolierung kann beispielsweise durch einen Klebepunkt oder dergleichen realisiert werden, oder auch indem ein entsprechend poröses Material wie ein Schwamm oder dergleichen als Abstandshalter zwischen dem Boden des Batteriegehäuses und dem Pulver oder Granulat, insbesondere in Form einer Tablette, angeordnet wird.
-
Damit ergibt sich gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee außerdem eine Anordnung oberhalb des eigentlichen Bodens des Batteriegehäuses. Dabei kann das zwischen dem Boden und dem Pulver oder Granulat angeordnete Material kapillarwirksam sein, also beispielsweise in der Art eines Dochts oder Schwamms ausgebildet sein. Hierdurch wird ein Abstand vom Boden erreicht, insbesondere unter Ausnutzung thermisch isolierender Eigenschaften. Im Falle einer Betauung gelangt dann nicht genug Feuchtigkeit in den Bereich des Pulvers oder Granulats, um eine ausreichend starke Gasentwicklung zu erzeugen, welche entsprechend detektiert oder detektiert und als kritisch eingestuft werden kann. Außerdem wird durch die thermische Isolierung gegenüber dem Boden des Batteriegehäuses eine eigenständige Betauung des Pulvers oder Granulats, beispielsweise einer aus diesem gepressten Tablette, verhindert oder zumindest verringert. Um dies noch weiter zu verringern, kann eine wasserundurchlässige Kapselung des Pulvers oder Granulats auf seiner dem Boden des Batteriegehäuses abgewandten Seite angeordnet sein. Im Idealfall besteht also der Kontakt zwischen der vorzugsweise aus dem Pulver oder Granulat gepressten Tablette ausschließlich über ein kapillarwirksames Material, welches das Pulver oder Granulat mit dem Boden verbindet. Dadurch ist es thermisch isoliert und von dem Boden beabstandet angeordnet. Eine wasserundurchlässige Abdeckung schützt es vor einer Betauung und einem eventuellen Auftropfen von auskondensiertem Wasser an der Oberseite. Dadurch wird lediglich dann das Gas freigesetzt, wenn Wasser sich im Bodenbereich des Batteriegehäuses sammelt und zwar in einer so großen Menge, dass es über das kapillarwirkende Material in ausreichend großer Menge zu dem Pulver oder Granulat gelangt, sodass dieses eine entsprechend große Menge an Gas freisetzen kann, welche der Gassensor entsprechend detektieren kann.
-
Wie bereits erwähnt sind dabei im Idealfall mehrere solche Ansammlungen von Pulver oder Granulat über das Batteriegehäuse bzw. seinen Boden verteilt angeordnet, um auch komplexen Geometrien gerecht zu werden und einen Wassereintritt an verschiedenen Stellen des Batteriegehäuses schnell und einfach detektieren zu können. Der Gassensor kann dabei so kalibriert sein, dass er erst ab einer bestimmten vorgegebenen Gasmenge einen Wassereintritt anzeigt, um so im Falle einer eventuellen Betauung entstehendes Gas nicht als Wassereintritt zu interpretieren und damit Fehlalarme zu vermeiden.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich nun insbesondere zur Überwachung eines Batteriegehäuses einer aktiv gekühlten Batterie, und dies sind typischerweise sogenannte Hochvoltbatterien, wie sie beispielsweise als stationäre Speicher oder gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Verwendung als Traktionsbatterien für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug eingesetzt werden. Insbesondere bei solchen Batterien ist der Energieinhalt relativ hoch, sodass im Falle eines Wassereintritts und einer gegebenenfalls entstehenden Elektrolyse die Gefahr durch eine potenzielle Explosion des entstehenden Knallgasgemischs außerordentlich hoch ist. Der sehr einfache und sichere Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung macht sie daher für diese Verwendungen besonders günstig.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
-
Dabei zeigen:
- 1 ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer beispielhaft dargestellten Traktionsbatterie in einem Batteriegehäuse; und
- 2 ein Ausschnitt aus einem Batteriegehäuse mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
In der Darstellung der 1 ist ein schematisch angedeutetes Fahrzeug 1 gezeigt. Es soll über wenigstens einen Elektromotor 2 angetrieben werden. Dieser empfängt die zum Vortrieb des Fahrzeugs 1 benötigte Energie zumindest teilweise aus einer mit 3 bezeichneten Traktionsbatterie des Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 kann beispielsweise als Elektrofahrzeug, als Hybridfahrzeug oder auch als Brennstoffzellenfahrzeug mit einer zusätzlichen elektrischen Traktionsbatterie 3 ausgebildet sein. Die Traktionsbatterie 3 ist dabei aktiv gekühlt, wie es bei derartigen Batterien, welche typischerweise derzeit als Lithium-Ionen-Batterien aufgebaut werden, und auch als Hochvoltbatterien bezeichnet werden, üblich ist.
-
Um nun einen eventuellen Wassereinbruch in ein Batteriegehäuse 4 der Batterie 3 erfassen zu können, welcher beispielsweise auftreten kann, wenn die Kühlleitungen defekt sind oder wenn es zu einem Wassereintritt von außen in das Batteriegehäuse 4 kommt, ist in dem Batteriegehäuse 4 wenigstens ein in 2 eingezeichneter Sensor 5 vorgesehen. Dieser Sensor 5 ist hier rein beispielhaft an einer der Seitenwände 6 des Batteriegehäuses angeordnet. Die Seitenwände des Batteriegehäuses 6 werden über einen Boden 7 miteinander verbunden, welcher im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unten liegt. Die in dem Batteriegehäuse 4 angeordneten Batterieeinzelzellen sind hier nicht gezeigt. Dafür ist im Bereich des Bodens 7 eine mit 8 bezeichnete Tablette zu erkennen. Diese ist beispielsweise in der Art einer sogenannten Brausetablette ausgebildet und setzt beim Kontakt mit flüssigem Wasser ein Gas, beispielsweise Kohlendioxid frei. Der Sensor 5 reagiert auf dieses Gas empfindlich, sodass verschiedene derartige Tabletten 8 über den Boden 7 des Batteriegehäuses 4 verteilt angeordnet werden können. Kommt es an einer oder mehreren Stellen zu einem Wassereinbruch oder einer Wasseransammlung, dann wird die entsprechende Tablette 8 mit dem Wasser in Berührung kommen und es wird das Gas freigesetzt. Der Sensor 5 kann dann dieses Gas detektieren und kann so, insbesondere ohne dass verschiedene über die Fläche des Batteriegehäuses 4 verteilt angeordnete Sensoren 5 notwendig sind, einen Wassereintritt bzw. eine Wasseransammlung am Boden 7 des Batteriegehäuses 4 erkennen.
-
Um ein Ansprechen bereits bei einer Betauung im Inneren des Batteriegehäuses 4, wie sie immer einmal vorkommen kann, zu verhindern, ist die Tablette 8 aus dem gepressten Pulver oder Granulat, welches bei Kontakt mit Wasser das Gas freisetzt, auf einem kapillarwirksamen Material 9 angeordnet. Dieses Material 9 kann beispielsweise in der Art eines Schwamms, eines Dochts oder dergleichen ausgebildet sein. Es beabstandet die Tablette 8 vom eigentlichen Boden 7 und sorgt beim Vorhandensein von Wasser im Bereich des Bodens 7 dennoch dafür, dass dieses Wasser in den Bereich der Tablette 8 gesaugt wird und das Gas in der gewünschten Art und Weise freigesetzt wird. Typischerweise ist es so, dass kapillarwirksame Materialien 9, wie beispielsweise ein Docht, ein Schwamm oder dergleichen, thermisch sehr gut isolieren. Damit ist die Tablette 8 auch thermisch gegenüber dem Boden 7 isoliert angeordnet, was ebenfalls einen Vorteil zur Minimierung der Gefahr einer Betauung der Tablette 8 und einer damit einhergehenden Freisetzung von Gas minimiert. Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Tablette 8 selbst in einer für Wasser undurchlässigen Kapselung 7 aufgenommen ist, eine beispielsweise für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran, Kunststoffhülle oder dergleichen. Diese Kapselung 10 verhindert dann ebenfalls ein Freisetzen von Gas im Falle einer potenziellen Betauung oder für den Fall, dass von der Betauung entstehende Tropfen beim Auskondensieren auf die Tablette 8 tropfen.
-
Kommt es jedoch zu einem Wassereinbruch in einer Größenordnung, welcher zuverlässig detektiert werden soll, um beispielsweise eine Warnmeldung auszulösen, dann wird die Tablette 8 ausreichend nass, beispielsweise durch die entsprechende Höhe des Wasserstands auf dem Boden 7 oder über das Aufsaugen und Weiterleiten des Wassers über das kapillarwirksame Material 9 zu der Tablette. Dort kann aufgrund des Wassers dann eine Reaktion ausgelöst werden, welche beispielsweise darauf beruht, dass eine in fester Form vorliegende Säure in dem Pulver bzw. Granulat der Tablette 8 in die wässrige Lösung übergeht und dann beispielsweise mit einem Salz so reagiert, dass ein Gas freigesetzt wird.
-
Ein einfacher und allgemein bekannter Mechanismus wäre dabei die Verwendung von Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat oder auch Kaliumcarbonat in Verbindung mit Zitronensäure, Apfelsäure oder dergleichen. Dieser Mechanismus ist von den sogenannten „Brausetabletten“ allein bekannt. Er sorgt dafür, dass bei Kontakt mit Wasser eine relativ große Menge an Kohlendioxid frei wird, welche durch die für das Kohlendioxid entweder durchlässige Kapselung 10 oder auch durch das kapillarwirksame Material 9 entsprechend abströmen und durch den Sensor 5 detektiert werden kann.
-
Sobald der Sensor 5 eine ausreichende Menge an Gas detektiert hat, kann davon ausgegangen werden, dass ein nennenswerter Wassereinbruch aufgetreten ist, bei dem eine entsprechend große Menge des Pulvers oder Granulats der Tablette 8 reagiert und sich aufgelöst hat. In diesem Fall wird dann eine entsprechende Warnmeldung generiert und Maßnahmen, wie beispielsweise ein elektrisches Abschalten der Batterie 3 oder Ähnliches können in an sich bekannter Art und Weise eingeleitet werden.
-
Durch die spezielle Einbausituation, wie es in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, ist außerdem die aktive Oberfläche der Tablette 8 entsprechend reduziert, da nur Wasser, welches über das kapillarwirksame Material 9 zur Unterseite der Tablette 8 transportiert wird, ihre chemische Reaktion auslösen kann. Auch dies minimiert die Gefahr eines ungewollten Ansprechens im Falle der Betauung.
-
Selbstverständlich könnte der Aufbau auch so realisiert sein, dass anstelle des kapillarwirksamen Materials, auf welchem die Tablette 8 angeordnet ist, diese auf einem kleinen Block, einer Ausbuchtung, einer Sicke oder dergleichen des typischerweise aus Blech gefertigten Bodens 7 des Batteriegehäuses 4 angeordnet ist und dann über einen Docht als kapillarwirksames Material 9 mit den tieferen Stellen, gegebenenfalls auch mehreren verschiedenen Tiefpunkten in der Umgebung jeder der Tablette 8 über mehrere Dochte, entsprechend verbunden wird.
-
Neben der prinzipiell bekannten Freisetzung von Kohlendioxid als Gas können, wie oben bereits erwähnt, auch andere Gase freigesetzt werden. Besonders geeignet wären hier flüchtige Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff oder Ammoniak, da die entsprechenden Sensoren 5 für derartige Gase eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Als Basis zur Freisetzung von Ammoniak kann beispielsweise ein Feststoffgemisch als Pulver oder Granulat aus Ammoniumnitrat und einer Base als Feststoff, wie beispielsweise Natriumhydroxid oder einem Basenbildner, wie Calciumoxid dienen.
-
Als kapillarwirksame Materialien 9 kommen dabei insbesondere auch poröse Kunststoffe in Betracht, beispielsweise auf der Basis von Polypropylen, Polyethylen oder auch Polytetrafluorethylen. Wie bereits erwähnt, erlaubt dabei die Gasdurchlässigkeit des kapillarwirksamen Materials 9 das Entweichen der Gase aus der ansonsten über die Kapselung 10 eingeschlossenen Tablette 8, sodass für die Kapselung 10 auch ein einfacher Werkstoff verwendet werden kann, welcher sowohl für Wasser als auch für Gase dicht ausgebildet ist.
-
In jedem einzelnen Bereich, in dem eine Detektion von Wasser erfolgen soll, reicht dabei eine relativ kleine Menge des Pulvers oder Granulats aus. Geht man beispielsweise von der bereits angesprochenen Kombination aus Natriumhydrogencarbonat und Zitronensäure aus, was dem typischen Brausepulver entspricht, dann reicht zur Erzeugung einer CO2-Menge von 1000 ppm eine Masse des Pulvers oder Granulats von 0,006 g/l des freien Volumens in dem Batteriegehäuse 4 aus, sodass also entsprechend kleine Mengen und kleine Tabletten 8 bereits ausreichen, um einen erkennbaren Sensorausschlag zu erzeugen.
-
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 102015008491 A1 [0002]
- US 9853330 B2 [0004]
- DE 102011089977 A1 [0005]
- DE 102016213364 A1 [0005]
