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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion einer Flüssigkeit bei wenigstens einer Komponente eines Batteriesystems mit wenigstens einem elektrischen Leiter, der an der Komponente angeordnet ist, sowie einer Steuerungsvorrichtung, die mit dem Leiter elektrisch verbunden und zur Durchführung von elektrischen Widerstandsmessungen ausgebildet ist
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Traktionsbatterien in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sind im hohen Maß durch Wassereintritt gefährdet. In diesem Fall besteht nämlich die Gefahr, dass eine elektrisch leitende Flüssigkeit die elektrischen Potenziale der Traktionsbatterie verbinden und somit einen unzulässigen Stromfluss bis hin zu einem Kurzschluss hervorrufen kann. Wird dabei eine kritische Menge des in der Traktionsbatterie befindlichen Wassers überschritten oder überschreitet die Bewegung des eingetretenen Wassers ein kritisches Maß, so kann es dazu kommen, dass hierdurch Batteriebrände hervorgerufen werden. Solche Batteriebrände sind mit großen Gefahren verbunden, da es hierdurch beispielsweise zu einem Totalverlust des Fahrzeuges und Gefahr für Leib und Leben kommen kann.
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Ein Wassereintritt kann beispielsweise infolge von Korrosionseffekten im Batteriegehäuse, mangelnder Dichtungsfunktion oder undichten Steckern bzw. Steckverbindungen entstehen.
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Es ist bekannt, kritische Mengen von Wasser über Isolationsmessungen innerhalb der Traktionsbatterie zu detektieren. Eine andere Methode zur Vermeidung kritischer Wassermengen sieht den Einsatz von Entfeuchtern in Form von Behältern mit feuchtigkeitsabsorbierenden Materialien, wie zum Beispiel Salzen oder sonstigen Absorbern vor.
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Nachteilig hierbei ist die Tatsache, dass Isolationsmessungen nicht für die Detektion von Wasser entwickelt sind und von daher keine hinreichende Detektionssicherheit von kritischen Wassermengen bieten.
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Auch kann der alternative Einsatz von Entfeuchtern mit wasserabsorbierenden Materialien nur in einem begrenzten Umfang Wasser binden. Zudem wird nicht nur Wasser aus Undichtigkeiten des Gehäuses und der Stecker aufgenommen, sondern auch Kondenswasser. Hierdurch wird die Funktion der Kondenswasseraufnahme eingeschränkt. Ferner wird bei der Verwendung von Entfeuchtern kein Wassereintritt detektiert, sodass die Ursache unerkannt bleibt und kritische Wassermengen bzw. Zustände nicht zuverlässig verhindert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, die eine verbesserte Detektion von kritischen Wassermengen ermöglichen. Hierbei ist es wünschenswert, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Detektion zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Vorliegend wird eine Vorrichtung zur Detektion einer Flüssigkeit bei wenigstens einer Komponente eines Batteriesystems vorgeschlagen, die wenigstens einen elektrischen Leiter, der an der Komponente angeordnet ist, sowie eine Steuerungsvorrichtung aufweist. Die Steuerungsvorrichtung ist mit dem Leiter elektrisch verbunden und zur Durchführung von elektrischen Widerstandsmessungen eingerichtet. Die Steuerungsvorrichtung ist zudem so ausgestattet bzw. eingerichtet, dass sie eine Höhe eines Flüssigkeitsstands innerhalb des Batteriemoduls ermitteln kann.
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Mittels der so gestalteten Vorrichtung kann künftig nicht nur qualitativ bestimmt werden, ob Flüssigkeit innerhalb eines Batteriesystems bzw. innerhalb von Komponenten des Batteriesystems vorhanden ist, sondern es kann vielmehr auch eine Aussage dahingehend getroffen werden, wie groß die Menge der vorhandenen Flüssigkeit ist.
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Das Batteriesystem besteht dabei aus wenigstens einer Komponente und bildet insbesondere eine funktionsfähige Baueinheit. Eine Komponente eines Batteriesystems ist insbesondere eines aus der folgenden Gruppe von Komponenten: Batteriegehäuse, Batteriemodul, Batteriezelle, Tragstruktur, Steuergerät für das Batteriesystem oder eines Teils davon. Das Batteriesystem kann dabei mit einer einzelnen oder mehreren Komponenten umgesetzt werden. Insbesondere können einzelne Batteriezellen oder Batteriemodule mit der Vorrichtung überwacht werden.
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Die zu ermittelnde Höhe des Flüssigkeitsstands ist die geodätische Höhe der Oberfläche der Flüssigkeit, welche diese in einem Ruhezustand ausbildet. Ein Bezugspunkt kann hierbei beispielsweise der am tiefsten liegende Punkt eines Raums sein, in dem sich Flüssigkeit innerhalb des Batteriesystems ansammeln kann. Betrachtet wird dabei insbesondere eine „Einbau-Lage“, also insbesondere die Lage bzw. Ausrichtung der Anordnung beim bzw. im Kraftfahrzeug.
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Hierdurch wird es möglich, zu überwachen, ob sich innerhalb eines Batteriesystems eine kritische (große) Menge von Flüssigkeit angesammelt hat. Dies ist für den zuverlässigen dauerhaften Betrieb von Batteriesystemen von erheblichem Vorteil.
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Die Vorrichtung funktioniert insbesondere in der Weise, dass der wenigstens eine (elektrische) Leiter zur Wasserdeduktion jeweils über die Steuerungsvorrichtung mit einer definierten elektrischen Spannung versorgt wird. Hierbei kann diese Spannung konstant und/oder zeitlich alternierend und/oder gepulst angelegt werden. Die Steuervorrichtung ist insbesondere so ausgelegt, dass diese eine Veränderung eines Widerstands bzw. eines elektrischen Potenzials, an dem wenigstens einen Leiter erkennen kann, wobei diese insbesondere davon ausgeht, dass die Veränderung zur Flüssigkeitsmenge innerhalb des Batteriesystems einsetzt. Der Leiter weist dazu einen elektrisch nicht isolierten offenen Endabschnitt auf, der beim Kontakt mit einer leitenden Flüssigkeit eine Potenzialänderung erfährt und/oder durch den beim Kontakt mit der Flüssigkeit ein detektierbarer Strom fließt.
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Der Leiter ist elektrisch isolierend ummantelt und mit einem offenen, d. h. elektrisch leitenden Endabschnitt versehen, welcher vorzugsweise als Litze in einem korrosionsresistenten Material ausgeführt ist. Der Leiter und gegebenenfalls auch die übrigen Signalleitungen, beispielsweise eines FPCs (Flexible Printed Circuit), können am Batteriegehäuse, am Zellmodulgehäuse und/oder einer sonstigen Komponente in der Weise befestigt sein, dass diese unter Beachtung der notwendigen Luft- und Kriechstrecken gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isoliert sind. Hierzu kann der Leiter zum Beispiel mittels Klebeverbindungen mit elektrisch nichtleitendem Kleber an dem jeweiligen Gehäuse bzw. der jeweiligen Komponente befestigt werden.
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Der Leiter kann dabei als Kabelverbindung oder als ein FPC (Flexible Printed Circuit) ausgebildet sein. Elektrische Leiter innerhalb von Batteriesystemen, Zellmodulen oder Batteriezellen werden vorzugsweise als FPC ausgeführt, weil diese einen flachen, raumsparenden Aufbau und zudem eine kostengünstige Lösung zu Übertragung von Strömen bzw. Signalen bieten. Diese Leiter übertragen die Messsignale (zum Beispiel der Spannungs- und Temperatursensoren) an Steuerungsvorrichtungen, wie beispielsweise Zellmodulsteuervorrichtungen (CMC) oder Batteriesystemsteuerungsvorrichtungen (BMC). Hierbei kann ein CMC wahlweise ein direkter Bestandteil des Zellmoduls sein oder als externes Bauteil ausgeführt sein. In diesem Fall enden die Leiter des Zellmoduls in einer Steckverbindung, um bei der Montage über eben diese Steckverbindung eine Anschlussleitung zu der externen Steuervorrichtung herzustellen.
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Insbesondere ist es möglich, den Leiter als Erweiterung eines ohnehin für andere Funktionen benötigten und daher bereits vorhandenen FPCs auszuführen.
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Der Leiter kann dabei je nach Anwendungsfall innerhalb des Gehäuses einer Komponente wie etwa dem Gehäuse des Batteriesystems, eines Batteriemoduls oder einer Batteriezelle angeordnet werden. Das Batteriemodul bildet dabei die übergeordnete Baueinheit, die ihrerseits aus einer Mehrzahl von Komponenten besteht. Diese Komponenten sind beispielsweise ein Batteriegehäuse, welches das gesamte Batteriemodul umgibt oder Batteriemodulgehäuse. Weitere Komponenten sind Batteriemodule, die innerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sind und eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassen können.
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Bei weiteren bzw. alternativen Ausführungsformen können die Batteriezellen unmittelbar in einem Batteriegehäuse angeordnet sein, ohne in Batteriemodule untergliedert zu sein. In diesem Fall ist es möglich, Leiter unmittelbar auf oder in der Nähe von einzelnen Batteriezellen oder deren Tragstrukturen, wie beispielsweise Spannrahmen, anzuordnen.
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Insbesondere kann bei einer Ausführungsform vorgesehen werden, dass die Komponente wenigstens zwei Leiter aufweist, wobei die Leiter elektrisch leitende Endabschnitte aufweisen und die Endabschnitte auf unterschiedlichen geodätischen Höhen an der Komponente im Batteriemodul angeordnet sind.
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Hierbei ist das System mit einer Mehrzahl von elektrischen Leitern zur Detektion elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, realisiert, die mit der Steuerungsvorrichtung verbunden sind. Die Leiter sind dabei wahlweise einadrig, zweiadrig oder auch mehradrig ausgebildet. Bei einem einadrigen Leiter kann eine Detektion des Flüssigkeitsstandes erfolgen, indem das elektrische Potenzial bzw. eine Widerstandsmessung des Leiters gegenüber einem umgebenden Gehäuse des Batteriesystems, des Batteriemoduls bzw. einer deren Komponenten von der Steuerungsvorrichtung überwacht wird.
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Bei zweiadriger oder mehradriger Ausführungsform des Leiters ist es möglich, das elektrische Potenzial bzw. die Widerstandsmessung zwischen wenigstens zwei Adern des Leiters vorzunehmen.
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Zusammen mit der Information über die geodätische Höhe, in denen die elektrisch offen liegenden Endabschnitte der jeweiligen Leiter angeordnet sind, kann ein Flüssigkeitsstand innerhalb eines Batteriesystems oder innerhalb deren Komponenten detektiert werden. Hierbei wird mit steigendem Pegel der Flüssigkeit zunächst derjenige Leiter mit der Flüssigkeit in Kontakt gelangen, der die niedrigste geodätische Höhe aufweist. Die geodätische Höhe wird dabei vorzugsweise in vertikaler Richtung, d. h. parallel zur Richtung der Erdbeschleunigung gemessen. Als nächstes wird dann derjenige Leiter mit der zweitniedrigsten geometrischen Höhe mit der Flüssigkeit in Kontakt gelangen und so weiter. Ursache hierfür ist die elektrische Leitfähigkeit von mineralhaltigem Wasser. Die Höhe der angelegten Spannung soll dabei in einem dem Stand der Technik entsprechenden Bereich für Signalmessungen liegen und ist unter anderem abhängig von dem Innenwiderstand des Leiters bzw. der verwendeten Leiter bzw. des jeweiligen betreffenden Batteriesystemgehäuses, Batteriemodulgehäuses oder Batteriezellengehäuses. Typisch sind hierfür Spannungen im Bereich von Milli-Volt bis hin zu einstelligen Volt-Werten (also kleiner 10 V). In jedem Fall darf die Spannungslage im Falle eines Kurzschlusses, zum Beispiel durch elektrisch leitfähiges Wasser, nicht zu unzulässigen Strömen und einem daraus resultierenden Sicherheitsrisiko führen.
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Die Steuerungsvorrichtung stellt dazu zunächst fest, welcher Leiter mit Flüssigkeit in Kontakt getreten ist, und kann anschließend zusammen mit der Information über die geodätische Höhe der daran angeordneten Endabschnitte die Bestimmung des Flüssigkeitsstands innerhalb der Batterie vornehmen. Wird die Auswertung der Kontakte der jeweiligen Leiter mit der Flüssigkeit über einen Zeitraum durchgeführt, so ist es sogar möglich, Wellenbewegungen der Flüssigkeit innerhalb des Batteriesystems bzw. innerhalb eines oder mehrerer Zellmodule zuverlässig zu erfassen. Die geschieht, indem erkannt wird, dass Leiter mit geodätisch höher angeordneten elektrisch leitenden Endabschnitten abwechselnd mit der Flüssigkeit in Kontakt gelangen und danach wieder zeitweise aus dieser heraustreten.
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Ferner kann bei einer anderen Ausführungsformen vorgesehen werden, dass die Steuerungsvorrichtung wenigstens einen aus wenigstens zwei Abschnitten bestehenden Leiter aufweist, wobei wenigstens ein leitfähiger und an der Komponente angeordneter Endabschnitt mit einem ersten elektrischen Widerstand und wenigstens ein restlicher Leitungsabschnitt mit einem zweiten elektrischen Widerstand vorgesehen sind, wobei der restliche Leitungsabschnitt den Endabschnitt mit der Steuerungsvorrichtung verbindet und der erste elektrische Widerstand größer als der zweite elektrische Widerstand ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Endabschnitt der Leitung als Litze ausgebildet ist, die aus einem Material mit einer definierten elektrischen Leitfähigkeit besteht, welche deutlich geringer ist als eine elektrische Leitfähigkeit des weiteren bzw. restlichen Leitungsabschnitts. Hierbei können außer dem Endabschnitt bei Bedarf ein oder auch mehrere restliche Leitungsabchnitte mit gleichen oder unterschiedlichen elektrischen Widerständen verwendet werden.
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Dabei ist die elektrische Leitfähigkeit des Endabschnitts vorzugsweise um Größenordnungen geringer als die elektrische Leitfähigkeit des weiteren Leitungsabschnitts. So können für den weiteren Leitungsabschnitt beispielsweise Kupferleitungen zur Anwendung kommen, deren elektrischer Widerstand deutlich geringer als 1 Ohm ist. Hingegen kann für den Endabschnitt ein Material verwendet werden, dessen Widerstand deutlich höher ist, sodass der vorzugsweise länglich ausgebildete Endabschnitt einen elektrischen Widerstand aufweist, der deutlich größer als 1 Ohm, 10 Ohm, 100 Ohm oder sogar größer als 1.000 Ohm ist. Erreicht dann ein Flüssigkeitsstand die Litze eines so hochohmig ausgestalteten Endabschnitts, wird aufgrund des relativ hohen Widerstands der Litze durch die Kontaktierung mit der Flüssigkeit ein definierter, jedoch geringer Stromfluss erzeugt. Steigt der Flüssigkeitsstand weiter an, wird der Endabschnitt zunehmend von der Flüssigkeit umschlossen, bis die Flüssigkeit den darüberliegenden weiteren Leitungsabschnitt erreicht. Mit wachsendem Flüssigkeitstand steigt die Stromstärke in der Leitung zunächst langsam an, solange der Endabschnitt in zunehmendem Maße in die Flüssigkeit eintaucht. Mit Erreichen des niederohmigen weiteren Leitungsabschnitts steigt der im Rahmen der Widerstandsmessung fließende Strom dann sprungartig an. Grundsätzlich ist dabei auch die Verwendung unterschiedlicher Materialien, wie beispielsweise Kunststoff-Compounds mit hinreichend unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit im Endabschnitt möglich. Hierbei ist die Leitfähigkeit des Endabschnitts so zu wählen, dass bei unterschiedlichen Wasserständen die einzelnen Materialien kontaktiert werden und ein entsprechender spezifischer Stromfluss entsteht. Dies führt zu einer entsprechend erhöhten Auflösung des Messsignals und damit einer genaueren Bestimmung des Flüssigkeitsstands. Insbesondere ist es möglich den gemessenen Widerstand bzw. die gemessenen Ströme mit Bezug auf den tatsächlich gemessenen Flüssigkeitsstand zu kalibrieren und auf diese Weise eine exakte Messung des Flüssigkeitsstands zu realisieren.
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Insbesondere kann der Endabschnitt auch nach Art eines länglichen Messtreifens ausgebildet werden, der mit zunehmendem Flüssigkeitsstand immer tiefer in die Flüssigkeit eintaucht und eine sehr exakte Messung des Flüssigkeitsstands möglich wird. Hierfür ist es lediglich erforderlich, die unterschiedlichen Messwerte, die mit steigendem Flüssigkeitsstand gemessen werden, den jeweiligen tatsächlichen und empirisch ermittelten Flüssigkeitsständen zuzuordnen. Dies ist mittels einer Kalibrierung des Messsystems möglich.
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Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung auch dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der erfassten Höhe des Flüssigkeitsstands das Vorliegen wenigstens einer vorgegebenen Auslösebedingung zu erkennen und wenigstens eine vorgegebene Schutzmaßnahme zum Schutz des Batteriesystems zu veranlassen.
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Auslösebedingungen können beispielsweise folgende Zustände sein:
- (1) Überschreiten eines Schwellwerts für elektrischen Strom in einer Leitung;
- (2) Überschreiten eines Schwellwertes für elektrischen Strom im mindestens zwei Signalleitungen;
- (3) Überschreiten eines Zeitintervalls in dem ein elektrischer Strom fließt;
- (4) Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl n von Zeitintervallen (mit definierter Maximaldauer), in denen Strom fließt (Wellenerkennung).
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Darüber hinaus können diese oder auch zusätzliche Auslösebedingungen unterschiedlich gewertet und miteinander kombiniert werden, um je nach spezifischen Anwendungsfall die Robustheit der Flüssigkeitserkennung zu optimieren.
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Liegt nach dem Erkennen und Auswerten der Auslösebedingungen dann ein kritischer Zustand vor, kann die Vorrichtung und hierbei insbesondere die Steuerungsvorrichtung wenigstens eine Schutzmaßnahme zum Schutz des Batteriesystems veranlassen.
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Eine Schutzmaßnahme kann beispielsweise die Ausgabe eines Warnsignals durch die Steuerungsvorrichtung darstellen. Andere Schutzmaßnahmen können beispielsweise die Einleitung von Maßnahmen zum Abführen der Flüssigkeit, zur Trocknung durch Bindung oder bei besonders schwerwiegenden Ereignissen auch eine Abschaltung des Batteriesystems bzw. einzelner oder mehrerer Komponenten sein.
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Ferner wird ein Verfahren zur Detektion einer Flüssigkeit bei wenigstens einer Komponente eines Batteriesystems vorgeschlagenen, das wenigsten die folgenden Schritte aufweist:
- a) Ermitteln einer Höhe eines Flüssigkeitsstands innerhalb des Batteriesystems mittels einer elektrischen Widerstandsmessung in dem Batteriesystem;
- b) Aufzeichnen der ermittelten Höhe des Flüssigkeitsstands;
- c) Auswerten der aufgezeichneten Höhe;
- d) Auslösen von wenigstens einer Schutzmaßnahme in Abhängigkeit von der Auswertung der aufgezeichneten Höhe des Flüssigkeitsstands, wenn wenigstens eine vorgegebene Auslösebedingung erkannt wird.
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Die Schritte a) bis d) können wenigstens einmal in der hier angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Es ist möglich, dass diese Schritte unterschiedlich oft und/oder zumindest teilweise zeitlich überlagernd durchgeführt werden.
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Eine andere Weiterbildung kann dadurch erreicht werden, dass im Schritt c) mittels der aufgezeichneten Höhe und einer bekannten Geometrie der Komponente ein Flüssigkeitsvolumen ermittelt wird. Hierdurch kann das Flüssigkeitsvolumen quantitativ bestimmt werden. Diese erlaubt beispielsweise eine maximal zulässige Flüssigkeitsmenge in einer Komponente festzulegen, bei deren Überschreitung dann Schutzmaßnahmen eingeleitet werden können.
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Für eine Auswertung von Wellenbewegungen von Flüssigkeiten in einem Batteriesystem aufgrund dynamischer Fahrzustände ist es vorteilhaft, wenn im Schritt b) ein zeitlicher Verlauf der erfassten Höhe aufgezeichnet und ausgewertet wird. Hierzu kann eine Mehrzahl von Leitern in unterschiedlichen geodätischen Höhen und verteilt, in oder an der jeweils zu überwachenden Komponente, angeordnet werden. Je nach Dauer, Häufigkeit und Höhe des detektierten Flüssigkeitsstands kann daraus dann die jeweils vorliegende Wellenbewegung der Flüssigkeit ermittelt werden.
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Die Verwendung von mehr als einer Leitung erhöht dabei grundsätzlich die Robustheit der Überwachung kritischer Flüssigkeitsstände, da beispielsweise eine elektrische Kontaktierung eines Leiters durch Kondenswasserbetauung erkannt und als fehlerhafter kritischer Zustand ausgeschlossen werden kann. Gleiches gilt für den, wenn auch sehr unwahrscheinlichen, Fall des Ausfalls einer Signalleitung durch eine fehlerhafte Isolation und einen hierdurch hervorgerufenen Stromfluss zum Gehäuse.
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Die Robustheit und Plausibilität der Messungen können alternativ auch auf Ebene des Batteriesystems erfolgen, indem eine Integration der Informationen mehrerer Komponenten in einem Batteriesystem erreicht wird. Dabei werden die Leiter aller Komponenten wie hier vorgeschlagen betrieben und ihre Signale gemeinsam interpretiert. In diesem Fall beispielsweise ist auch bei Verwendung von nur einer Signalleitung je Batteriemodul eine Plausibilisierung eines Signals durch die Signale der anderen Batteriemodule möglich. Wichtig für die detektierbare Höhe und die Güte der Detektion ist dabei eine günstige Positionierung der Leiter, Endabschnitte und Litzen in den Komponenten, so dass bereits kleine Mengen von Flüssigkeit einen Stromfluss erzeugen, der dann bei einer Widerstandsmessung in der Steuerungsvorrichtung gemessen und detektiert werden kann, welche die Leiter mit Spannung versorgt. Die für die Messung und Auswertung erforderliche Steuerungsvorrichtung kann dabei beispielsweise auf der Ebene des Batteriesystems mittels eines Batteriesteuergeräts oder auf der Ebene von Batteriemodulen mit einem Batteriemodulsteuergerät (BMC) erfolgen.
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Im Rahmen der Auswertung der Messergebnisse können insbesondere auch weitere Fahrzeugdaten herangezogen werden. So können Telemetriedaten, wie beispielsweise G-Kräfte und Lagewinkel zusammen mit den Messwerten der Widerstandsmessungen verarbeitet werden, um unplausible Höhen des Flüssigkeitsstands zu identifizieren, Wellenbewegungen des Flüssigkeitsstands zu interpretieren und geeignete Zeiträume für Höhenbestimmungen des Flüssigkeitsstands zu ermitteln. Hierdurch kann eine zusätzliche Plausibilisierung des ermittelten Flüssigkeitsstands erreicht werden. Insbesondere kann mittels der hier vorgeschlagenen Weise eine besonders sichere Detektion von Wassereintritten erfolgen, indem zwischen unkritischen Flüssigkeitsmengen durch Kondensatbildung und potenziell kritischen Mengen von angesammeltem Wasser durch Plausibilisierung der ermittelten Daten unterschieden werden kann.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Steuerungsvorrichtung für ein Batteriesystem mindestens eine Messeinrichtung, insbesondere eine Widerstandsmesseinrichtung und Mittel aufweist, die geeignet bzw. eingerichtet sind, die hier beschriebenen Schritte eines der vorgeschlagenen Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, insbesondere gemäß der Schritte a) bis d) des Verfahrensanspruchs, auszuführen. Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung und insbesondere die Steuerungsvorrichtung diese Verfahrensschritte ausführt.
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Schließlich wird auch ein computerlesbares Medium vorgeschlagen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittansicht eines Batteriesystems;
- 2: eine Schrägansicht eines Batteriemoduls; und
- 3: eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist eine schematische Schnittansicht eines hier vorgeschlagenen Batteriesystems 1 dargestellt. Das Batteriesystem 1 ist von einem Batteriegehäuse 2 umgeben. Innerhalb des Batteriegehäuses 2 sind vier Batteriemodule 3 angeordnet, die jeweils über ein Batteriemodulsteuergerät 4 verfügen und mit diesem leitungstechnisch verbunden sind. Die Batteriemodulsteuergeräte 4 sind jeweils über Leitungen 5 mit einem Batteriesteuergerät 6 verbunden.
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Jedes der Batteriemodule 3 ist innerhalb des Gehäuses 2 von einem Halterahmen 7 gehaltert. Während des Betriebs des Batteriesystems 1 kann es dabei vorkommen, dass sich innerhalb der Batteriemodule 3 Flüssigkeit 10 ansammelt. In jedem Batteriemodul 3 sind mehrere Batteriezellen 8 angeordnet. Die Batteriezellen 8 sind ihrerseits mit dem Batteriemodulsteuergerät 4 verbunden. Auch in den Batteriezellen 8 kann es zu Ansammlungen von Flüssigkeit 10 kommen.
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Das Batteriesystem 1 besteht somit aus mehreren Komponenten 9. Diese Komponenten 9 sind unter anderem das Batteriegehäuse 2, die Batteriemodule 3, das Batteriemodulsteuergerät 4, die Leitungen 5, das Batteriesteuergerät 6 sowie die Halterahmen 7.
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In der Figur sind ferner schematisch Orte dargestellt, an denen Ansammlungen von Flüssigkeit 10 vorkommen können.
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Die dargestellten Flüssigkeiten 10 haben dabei jeweils einen Flüssigkeitsstand 11. Es sind ferner vier Leiter 12 angeordnet, die zur Bestimmung des Flüssigkeitsstands 11 bzw. der Flüssigkeitsmenge geeignet sind. Im linken oberen Batteriemodul 3 ist dabei eine erste Art eines Leiters 12 dargestellt, der einen Endabschnitt 13 und einen restlichen Leitungsabschnitt 14 aufweist. Der Endabschnitt 13 hat dabei einen deutlich höheren elektrischen Widerstand als der restliche Leitungsabschnitt 14. Gelangt der Endabschnitt 13 nun in Kontakt mit der Flüssigkeit 10, so kann dies im Rahmen einer Widerstandsmessung detektiert werden, bei der vom Batteriemodulsteuergerät 4 eine elektrische Spannung an den Leiter 12 angelegt wird. Da es sich bei der Flüssigkeit 10 innerhalb von Batteriezellen 8 in der Regel um leitfähiges Wasser handelt, wird sich im Rahmen der Widerstandsmessung zwischen dem Endabschnitt 13 und dem Gehäuse der Batteriezellen 8 ein Stromfluss einstellen, der vom Batteriemodulsteuergerät 4 erkannt werden kann.
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Im rechten oberen Batteriemodul 3 ist in der mittleren Batteriezelle 8 eine zweite Art von Leiter 12 dargestellt, die eine zweiadrige Ausführungsform aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird zur Durchführung der Widerstandsmessung vom Batteriemodulsteuergerät 4 an beide Adern 15 eine kleine Spannung zwischen beispielsweise wenigen Millivolt bis hin zu einstelligen Volt-Werten angelegt. Während die Leiter 12 grundsätzlich gegenüber den Komponenten 9 isoliert angeordnet sind, kommt es jedoch im Falle des Kontakts der beiden Adern 15 mit der Flüssigkeit 10 ebenfalls zu einem Stromfluss, der vom Batteriemodulsteuergerät 4 im Rahmen einer Strommessung erkannt wird.
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Im Bereich eines Bodens 16 des Batteriesystems 1 sind zwei weitere Leiter 12 angeordnet, die jeweils über einen Endabschnitt 13 und einen restlichen Leitungsabschnitt 14 verfügen. Die beiden Leiter 12 sind dabei in horizontaler Richtung voneinander separiert angeordnet, um auch bei dynamischen Fahrsituationen und geneigten Zuständen des Batteriesystems 1 das eventuelle Vorhandensein von Flüssigkeit 10 sicher detektieren zu können. Hierbei gilt, dass mit zunehmender Anzahl von Leitern 12 die Zuverlässigkeit der Detektion von Flüssigkeit 10 zunehmend verbessert werden kann.
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Die 2 zeigt eine Schrägansicht eines hier vorgeschlagenen Batteriemoduls 3. Das Batteriemodul 3 weist ein Modulgehäuse 17 mit einer Endplatte 18 auf. Zur Leitung von Strömen und Signalen ist das Batteriemodul 3 mit einem Leiter 12 ausgebildet, der als Flexible Printed Circuit FPC ausgebildet ist. Im Bereich der Endplatte 18 weist der Leiter 12 eine Abzweigung auf, die durch eine Bohrung 19 in Richtung des Bodens 16 des Batteriegehäuses 2 geführt ist. Die Abzweigung des Leiters 12 ist dabei mittels der Adern 15 zweiadrig ausgeführt, deren Enden elektrisch nicht isoliert als Litzen 20 ausgebildet sind. Um das Batteriemodul 3 über die Leitung 5 mit einer Steuerungsvorrichtung 22 verbinden zu können, ist eine Niedervolt-Steckverbindung 21 vorgesehen. Die Niedervolt-Steckverbindung 21 kann dabei mittels einer leicht handhabbaren nicht dargestellten Steckverbindung an der Leitung 5 mit der Steuerungsvorrichtung 22 verbunden werden. Die Steuerungsvorrichtung 22 kann dabei beispielsweise in einem eigenständigen Steuergerät, einem Batteriemodulsteuergerät BMC, einem Batteriezellensteuergerät Cell Module Controler CMC, einem Steuergerät des Batteriesystems, Motorsteuergerät, Zentralrechner ICAS, Kombigerät oder einem Cloudrechner bzw. Cloudspeicher realisiert bzw. integriert sein.
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Führt nun eine so ausgebildete Steuerungsvorrichtung 22 eine Widerstandsmessung durch, so wird diese einen Stromfluss zwischen den beiden Litzen 20 detektieren, sobald sich im Bereich des Bodens 16 eine entsprechend große Menge an Flüssigkeit 10 angesammelt hat, wobei der Flüssigkeitsstand 11 der Flüssigkeit 10 einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Litzen 20 herstellt.
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Die 3 zeigt schließlich eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Leiters 12, der einadrig ausgebildet ist. Hierbei ist ein Teilbereich des Bodens 16 eines Batteriemoduls 3 in einer vergrößerten Schnittansicht dargestellt. In dem Batteriemodul 3 befindet sich bereits eine Flüssigkeit 10, die einen Flüssigkeitsstand 11 erreicht hat. Der Leiter 12 besteht aus einer elektrisch leitenden und offenliegenden Litze 20, die einen Endabschnitt 13 des Leiters 12 bildet. Darüber schließt sich der restliche Leitungsabschnitt 14 an, der unmittelbar nach dem Übergang vom Endabschnitt 13 zum restlichen Leitungsabschnitt 14 innerhalb einer Isolationsschicht 23 zu einer nicht weiter dargestellten Steuerungsvorrichtung 22 geführt wird. Der Endabschnitt 13 weist hierbei einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf, der von wenigen Ohm bis zu mehreren Kilo-Ohm reichen kann. Der restliche Leitungsabschnitt 14 ist seinerseits beispielsweise mittels einer Kupferleiterbahn möglichst niederohmig ausgebildet, um Leitungsverluste auf dem Weg zur Steuerungsvorrichtung 22 zu vermeiden.
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Bereits bei einem ersten Kontakt des Endabschnitts 13 mit der Flüssigkeit 10 kann die Steuerungsvorrichtung 22 im Rahmen der Widerstandsmessung einen Stromfluss zwischen dem Leiter 12 und dem Modulgehäuse 17 oder dem Batteriegehäuse 2 detektieren. Hierbei wird ein Stromfluss ohne Kontakt zur Flüssigkeit 10 verhindert, indem der Leiter 12, dessen freiliegender Teil des restlichen Leitungsabschnitts 14 und der Endabschnitt 13 elektrisch isoliert innerhalb des Batteriemoduls 3 angeordnet sind. Hierzu kann beispielsweise eine Klebeverbindung mit einem elektrisch nichtleitfähigen Kleber verwendet werden. Im Übrigen kann auf diese Weise auch eine Positionierung von Leitern 12 am Batteriegehäuse 2 oder an Batteriezellen 8 realisiert werden.
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Das freiliegende Ende des Endabschnitts 13 kann beispielsweise aus einem Thermoplast mit Graphitanteil hergestellt sein. Ein solcher Kunststoff ist sehr hochohmig. Erreicht der Flüssigkeitsstand 11 die Litze 20, wird durch die Kontaktierung aufgrund des relativ hohen Widerstands der Litze 20 ein definierter, jedoch geringer Stromfluss erzeugt. Steigt der Wasserstand weiter in Richtung des oberen Endes des Endabschnitts 13, steigt der messbare Stromfluss aufgrund des zunehmend sinkenden ohmschen Widerstands zunächst weiter an. Erreicht der Flüssigkeitsstand 10 bei einem weiteren Anstieg dann das niederohmige freiliegende Ende des restlichen Leitungsabschnitts 14, ist ein sprunghafter Anstieg des Stromflusses messbar, da dieser Bereich besonders niederohmig ausgeführt ist und somit der im Rahmen der Widerstandsmessung erzeugte Strom über diesen Strompfad besonders groß ist.
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Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung durch die Verwendung von ein oder mehradrigen Leitern 12 die zuverlässige Detektion von Flüssigkeit 10 und die gleichzeitige Erkennung eines Flüssigkeitsstands 11 in einem Batteriesystem bzw. innerhalb deren Komponenten. Werden dabei mehr als ein Leiter 12 verwendet, erhöht dies grundsätzlich die Robustheit der Erkennung kritischer Flüssigkeitsmengen, da eine elektrische Kontaktierung eines Leiters 12 durch Kondenswasserbetauung als Einzelfall erkannt werden kann. Die Robustheit und Plausibilisierung der Messung können alternativ auch durch die Integration anderer Messungen aus anderen Zellmodulen oder Batteriezellen innerhalb eines Batteriesystems erreicht werden. In jedem Fall wichtig für eine hohe Güte der Detektion ist dabei eine günstige Positionierung der Leiter 12 mit deren Litzen 20 bzw. Endabschnitten 13 in dem Sinne, dass bereits kleine Mengen von Flüssigkeit 10 einen Stromfluss im Rahmen der Widerstandsmessung gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2
- Batteriegehäuse
- 3
- Batteriemodul
- 4
- Batteriemodulsteuergerät
- 5
- Leitung
- 6
- Batteriesteuergerät
- 7
- Halterahmen
- 8
- Batteriezellen
- 9
- Komponente
- 10
- Flüssigkeit
- 11
- Flüssigkeitsstand
- 12
- Leiter
- 13
- Endabschnitt
- 14
- restlicher Leitungsabschnitt
- 15
- Adern
- 16
- Boden
- 17
- Modulgehäuse
- 18
- Endplatte
- 19
- Bohrung
- 20
- Litze
- 21
- Niedervolt Steckverbindung
- 22
- Steuerungsvorrichtung
- 23
- Isolationsschicht
