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Die Erfindung betrifft eine Schadenserkennungsvorrichtung zum Detektieren einer Beschädigung einer Fläche, insbesondere eines Energiespeicherbodens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit einer solchen Schadenserkennungsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit solch einer Schadenserkennungsvorrichtung oder solch einem Energiespeicher.
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Ein Hochvoltspeicher hat aus Sicherheitsgründen gewisse Anforderungen zum Schutz gegenüber von außen zugeführten, mechanischen Beschädigungen zu erfüllen. Beispielsweise wird mittels eines sog. Pollerfallen-Tests ein Schutz gegen eine mechanische Beschädigung des Hochvoltspeichers von unten in Richtung Energiespeicherboden getestet. Um einen Schutz gegen solche Beschädigungen zu gewährleisten, werden in der Vertikalrichtung des Hochvoltspeicheraufbaus entsprechende Sicherheiten, beispielsweise durch eine hohe Wandstärke der Bodenplatte oder durch Luft zwischen der Bodenplatte und den Speicherzellen vorgehalten. Im Gegensatz zu einer seitlichen Beschädigung des Hochvoltspeichers (die dafür notwendigen, massiven Beschädigungen sind von außen sichtbar), liegt die Schwierigkeit bei einer Beschädigung der Hochvoltspeicher-Bodenplatte darin, dass der Kunde bzw. Fahrer ggf. eine Beschädigung der Hochvoltspeicher-Bodenplatte oder gar des Hochvoltspeichersystems gar nicht bemerkt bzw. erkennt (da sich diese auf der Fahrzeugunterseite befindet) und trotz Beschädigung das Fahrzeug weiter nutzt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch eine Schadenserkennungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, einen Energiespeicher gemäß Anspruch 11 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Schadenserkennungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend eine Trägerschicht, die auf einer Fläche aufgebracht ist; mehrere elektrisch leitfähige Pfade, die an und/oder in der Trägerschicht angeordnet sind, und eine Auswerteeinheit, welche anhand einer Änderung der elektrischen Eigenschaften der Pfade bestimmt, ob die Fläche beschädigt, insbesondere deformiert, ist. Die Pfade können dabei beispielsweise alle in derselben Richtung verlaufen und insbesondere im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Die Pfade können aber auch in Form einer Struktur angeordnet sein, in der sich die Pfade kreuzen, beispielsweise gitterartig angeordnet sind. Durch eine Beschädigung der Fläche, insbesondere eine Deformation oder ein Durchstechen der Fläche, wird zumindest eine, üblicherweise jedoch mehrere, der elektrisch leitfähigen Pfade gestreckt und/oder durchbrochen. Im Falle einer Streckung führt die Längenausdehnung der betroffenen Pfade zu einer Querschnittsverjüngung dieser Pfade, wodurch sich wiederum die elektrischen Eigenschaften dieser Pfade verändern, insbesondere der elektrische Widerstand ansteigt. Damit kann eine kostengünstige Möglichkeit geschaffen werden, an schwer einsehbaren Stellen eine Detektion von Beschädigungen zu schaffen. Damit ist eine frühzeitige Erkennung von Beschädigungen erkennbar, wodurch eventuell kostspieligere andere Maßnahmen, wie beispielsweise Materialverstärkungen etc., überflüssig werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Auswerteeinheit angepasst, anhand einer Änderung eines elektrischen Widerstands der Pfade zu bestimmen, ob die Fläche beschädigt ist. Dieser geänderte elektrische Widerstand kann direkt über eine Widerstandsmessung detektiert werden oder gleichbedeutend über Strom- oder Spannungsmessung. Wie bereits erwähnt, verringert sich durch eine Streckung der Pfade ein Querschnitt und führt zu einem höheren elektrischen Widerstand. Bei durchbrochenen Pfaden steigt der elektrische Widerstand stark bzw. ins Unendliche. Bezogen auf die Gesamtheit aus allen elektrischen Pfaden, die beispielsweise parallel zueinander von Strom durchflossen werden können, würde auch hier eine Streckung/Unterbrechung einzelner Pfade dazu führen, dass der elektrische Widerstand der Gesamtheit aller parallelen Pfade ansteigt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Pfade durch elektrisch leitfähige Drähte ausgebildet. Dies ist eine kostengünstige Art und Weise der Umsetzung der elektrisch leitfähigen Pfade. Ebenso wäre möglich, die elektrisch leitfähigen Pfade auf der Trägerschicht selbst, beispielsweise durch Auftragen elektrisch leitfähigen Materials, auszubilden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Pfade gitterförmig ausgebildet. Dadurch erreicht man eine gute und möglichst lückenlose Abdeckung der zu überwachenden Fläche. Alternativ könnten die Pfade wabenförmig ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung überspannt eine Struktur der Pfade zumindest 80% der Fläche. Anders ausgedrückt, verbindet man jeweils zwei benachbarte Außenenden der Pfade miteinander, bis diese imaginäre Verbindungslinie die Gesamtheit der Pfade umgibt, dann bedeckt die von der imaginären Verbindungslinie eingeschlossene Trägerschicht zumindest 80% der zu überwachenden Fläche. Damit ist eine möglichst gute Abdeckung der Fläche gewährleistet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Pfade mit Kontaktierungsanschlüssen verbunden, über welche die Pfade elektrisch mit der Auswerteeinheit verbunden sind. Damit ist eine gute Montierbarkeit und Wartungsmöglichkeit gegeben.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Trägerschicht eine Folie, insbesondere eine selbstklebende Folie. Damit lässt sich die Erfindung kostengünstig umsetzen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Trägerschicht aus einer Vergussmasse ausgebildet. Insbesondere können hierbei die Pfade, beispielsweise in Form einer Gitterstruktur, auf die Fläche aufgelegt werden und anschließend wird eine Vergussmasse, beispielsweise eine selbstaushärtende Gummimasse oder dergleichen, über diese Gitterstruktur gegossen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Pfade derart angeordnet, dass jeweils benachbarte Pfade nicht mehr als 10mm, insbesondere 5mm, voneinander beabstandet sind. Damit erreicht man einen guten Kompromiss aus möglichst lückenloser Abdeckung und Einsparung von Material für die Pfade.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die Erfindung einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug bereit, mit einem Energiespeichergehäuse zum Einhausen von elektrochemischen Speicherzellen und einer solchen Schadenserkennungsvorrichtung, wobei die Trägerschicht an einer Fläche des Energiespeichergehäuses angebracht ist. Dadurch ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der Schadenserkennungsvorrichtung beschriebenen Vorteile eines frühzeitigen Erkennens von Beschädigungen an schlecht oder uneinsehbaren Stellen. Je nach Aufbau des Energiespeichers ergibt sich ggf. die Möglichkeit der Reduzierung der Wandstärke des Energiespeichergehäuses, insbesondere des Energiespeichergehäusebodens. Bisher wurde beispielsweise für den Energiespeichergehäuseboden eine Wandstärke von 5mm im Falle von Aluminium oder 2mm im Falle von Stahl verwendet. Darüber hinaus kann ggf. Material für eine Wabenstruktur für ein sog. Cell-to-pack- oder Cell-tochassis-System eingespart werden. Ebenfalls ist denkbar, dass sich durch die Erfindung der Vorteil ergibt, dass der Abstand (Pufferzone) zwischen den Speicherzellen und dem Energiespeichergehäuseboden verringert werden könnte. Hierdurch kann entweder Material und/oder Bauraum einspart werden, wodurch ermöglicht wird, das Kraftfahrzeug mit geringeren Abmessungen in der Vertikalrichtung zu gestalten oder der zusätzlich gewonnene Bauraum wird dazu genutzt, die Abmessungen der Speicherzellen zu vergrößern und damit eine höhere Reichweite des Kraftfahrzeugs zu erzielen. Aufgrund der möglichen Gewichts- bzw. Wandstärkenreduzierung ist eine Verringerung der Materialwertstoffmenge möglich. Darüber hinaus führt jegliche Gewichtsreduzierung zu einem günstigeren Energieverbrauch während der Nutzungsphase durch den Kunden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Energiespeichers ist die Trägerschicht an einem Boden des Energiespeichergehäuses angebracht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Energiespeichers ist die Trägerschicht an einer Innenseite des Energiespeichergehäuses angebracht.
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Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einer Schadenserkennungsvorrichtung oder solch einem Energiespeicher bereit.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Schadenserkennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Schadenserkennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und
- 4 zeigt schematisch eine Funktionsweise der Schadenserkennungsvorrichtung.
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1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Energiespeicher 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 ist insbesondere ein Personenkraftwagen. Es handelt sich um ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, das zumindest zeitweise elektrisch angetrieben wird. Zur Speicherung und Bereitstellung der elektrischen Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 ist der Energiespeicher 2 vorgesehen. Dieser weist ein Energiespeichergehäuse 3 auf, welches in 1 mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Das Energiespeichergehäuse 3 haust eine Vielzahl an elektrochemischen Speicherzellen auf, die miteinander elektrisch seriell und/oder parallel verbunden sind.
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Zur Erkennung von Beschädigungen von Bauteilen des Kraftfahrzeugs 1, insbesondere zur Erkennung von Beschädigungen des Energiespeichers 2 ist am Energiespeichergehäuse 3 eine Schadenserkennungsvorrichtung 10; 20 vorgesehen, die genauer anhand der 2 und 3 erläutert wird. Diese Schadenserkennungsvorrichtung 10; 20 ist insbesondere auf eine Wandung des Energiespeichergehäuses aufgebracht, insbesondere auf den Energiespeicherboden. Die Schadenserkennungsvorrichtung 10; 20 dient dazu, eine Beschädigung, insbesondere eine Deformation, des Energiespeichergehäuses 3 zu detektieren und damit eine eventuelle Beschädigung des Energiespeichers, beispielsweise seiner Speicherzellen, frühzeitig festzustellen.
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Diese Schadenserkennungsvorrichtung 10; 20 wird genauer anhand der 2 und 3 erläutert, wobei diese Figuren zwei Ausführungsbeispiele zeigen, die sich nur leicht unterscheiden. Die Schadenserkennungsvorrichtung 10; 20 weist eine Trägerschicht 11 auf, die beispielsweise eine Folie, insbesondere eine selbstklebende Folie, oder eine Vergussmasse, insbesondere eine selbstaushärtende Vergussmasse sein kann. Die Vergussmasse kann beispielsweise eine Gummimasse, ein Lack, Harz oder dergleichen sein. Die Trägerschicht 11 ist aus elektrisch isolierendem Material.
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In die Trägerschicht 11 eingebettet und/oder auf die Trägerschicht 11 aufgebracht sind elektrisch leitfähige Pfade 12; 22, die in 2 in einer wabenförmigen Struktur und in 3 in einer gitterförmigen Struktur ausgebildet sind. Dies ist der Wesentliche Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen der 2 und 3. In beiden Ausführungsbeispielen sind die elektrisch leitfähigen Pfade 12; 22 in einer Struktur sich kreuzender Pfade angeordnet. Die Erfindung könnte jedoch auch mit im Wesentlichen parallel verlaufenden Pfaden 12; 22, die sich nicht kreuzen, ausgebildet werden. Die Zwischenräume zwischen benachbarten Pfaden 12, 22 sind so zu wählen, dass sie nicht größer als 10mm, insbesondere 5mm, sind, damit eine möglichst gute Abdeckung der zu überwachenden Fläche, auf welche die Schadenerkennungsvorrichtung 10; 20 aufgebracht ist, erreicht werden kann. Der zu wählende Maschenabstand/Zwischenraum der Pfade 12; 22 kann über Versuche validiert werden. Die elektrisch leitfähigen Pfade 12; 22 können in Form von Drähten oder Leiterbahnen ausgebildet sein. Die Strukturen in den 2 und 3 können aber auch in Form dünner, monolithischer Schichten mit entsprechender Struktur ausgebildet werden. Dabei können die Pfade 12; 22 auf das Trägermaterial aufgebracht und/oder in dieses eingebettet werden. Dieser Aufbau aus Trägermaterial 11 und Pfaden 12; 22 kann beispielsweise zumindest 80% des Energiespeicherbodens bedecken. Dieser Aufbau kann dabei auf einer Außenseite oder einer Innenseite des Energiespeichergehäuses 3 aufgebracht werden. Ein Aufbringen auf der Außenseite könnte jedoch dazu führen, dass auch kleinere Kratzer einen oder mehrere Pfade 12; 22 unterbrechen, obwohl dies nicht zu einer derartigen Beschädigung führt, dass eine ernstzunehmende Beschädigung der Speicherzellen vorliegt. Um solche kleineren, äußeren Beschädigungen auszuschließen, kann der Aufbau aus Trägermaterial 11 und Pfaden 12; 22 auf der Innenseite angebracht werden, so dass dort die Pfade 12; 22 erst dann gestreckt und/oder unterbrochen werden, wenn eine erhebliche Deformation oder Durchstechung des Energiespeichergehäuses 3 vorliegt.
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Darüber hinaus weist die Schadenerkennungsvorrichtung 10; 20 elektrische Kontaktierungsanschlüsse 13, 14 auf, die mit den Pfaden 12; 22 elektrisch verbunden sind. Insbesondere sind die Längsenden der Pfade 12; 22 mit den Kontaktierungsanschlüssen 13, 14 verbunden. Die Kontaktierungsanschlüsse 13, 14 sind wiederum mit einer Auswerteeinheit 15 verbunden, die einen Widerstandswert und/oder einen Strom-/Spannungswert überwacht und aus einer Änderung dieser elektrischen Eigenschaften bestimmt, ob eine Streckung/Beschädigung eines oder mehrerer Pfade 12; 22 und damit eine eventuelle Beschädigung des Energiespeichers, insbesondere seiner Speicherzellen, vorliegt oder nicht.
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Anhand 4 wird die Funktionsweise der Schadenserkennungsvorrichtung 10; 20 erläutert. Kommt es zu einem Einschlag in die Fläche (Energiespeichergehäusewandung) an der das Trägermaterial 11 samt der Pfade 12; 22 angebracht ist, kommt es zu einer Deformation der Fläche und damit auch der Schadenerkennungsvorrichtung 10; 20. Genauer werden einzelne Pfade 12; 22 unterbrochen und/oder gestreckt, wobei letzteres zu einer Querschnittsverjüngung führt. Beides führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands, der mittels der Auswerteeinheit 15 ermittelbar ist. Zum einen kann damit ermittelt werden, ob eine Beschädigung vorliegt oder nicht. Zum anderen kann über das Ausmaß der Änderung des Widerstands eine Schwere der Beschädigung abgeleitet werden. Welches Ausmaß an Beschädigung zu welcher Änderung des elektrischen Widerstands führt kann in diesem Zusammenhang über Versuche ermittelt werden.
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Das Ergebnis der Auswerteeinheit 15 kann entweder einem Fahrer des Kraftfahrzeugs 1 angezeigt werden und/oder es können Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz des Energiespeichers 2 getroffen werden, wie beispielsweise einer Notentladung des Energiespeichers 2, einer Aufforderung zum Anhalten und Abstellen des Kraftfahrzeugs 1, einer Aufforderung zum Aufsuchen einer Werkstatt, Start einer separaten Diagnoseprozedur zum Prüfen der Funktionalität des Energiespeichers etc.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
