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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Flüssigkeit in einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter Einzelzellen.
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Aus der
DE 10 2019 215 513 A1 sind eine Traktionsbatterie sowie ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bekannt. Die Traktionsbatterie weist ein Batteriegehäuse mit einem Gehäuseboden und einem Gehäuserahmen, einen Flüssigkeitssensor mit einer Einspeiseeinheit zur Einspeisung eines optischen Messsignals in einen Lichtwellenleiter und eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Antwortsignals vom Lichtwellenleiter auf. Der Lichtwellenleiter weist einen innerhalb des Batteriegehäuses angeordneten sensitiven Abschnitt auf, in welchem der Lichtwellenleiter keinen dessen Kern umfassenden Mantel aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Vorrichtung zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers mit einer Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel verschalteter Einzelzellen weist erfindungsgemäß zumindest ein in dem Gehäuse angeordnetes, Wasser aufsaugendes Mattenelement mit einem festen und/oder gelösten Salz einer ionischen Verbindung auf. Dabei ist zumindest ein Abschnitt des Mattenelementes zwischen zwei Sensorelektroden angeordnet. Bei Aufsaugen von Wasser durch das Mattenelement löst sich zumindest ein Teil des Salzes der Verbindung auf, so dass sich eine ionische Leitfähigkeit im Bereich des Mattenelementes ändert, welche die Sensorelektroden anhand einer Änderung eines Messsignals einer elektrischen Leitfähigkeit, einer Permittivität, einer elektrochemischen Impedanz und/oder eines elektrischen Stromflusses erfassen.
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Mittels einer derart ausgebildeten Vorrichtung ist Wasser in dem Gehäuse vergleichsweise einfach detektierbar, so dass ein Risiko eines Auftretens von Kriechströmen und/oder ein Kurzschlussrisiko wesentlich verringert werden können beziehungsweise kann. Mittels der Vorrichtung können also Komponenten des elektrischen Energiespeichers gegen Schäden durch Kriechströme und/oder Kurzschlüsse weitestgehend geschützt werden.
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Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher mittels der Vorrichtung vor einer thermischen Überlast durch einen Kurzschluss, insbesondere aufgrund von Wassereintritt in das Gehäuse des elektrischen Energiespeichers, weitestgehend geschützt werden.
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Mittels der Vorrichtung sind in das Gehäuse eingetretene kleinste Wassermengen detektierbar, so dass gegebenenfalls frühzeitig eine Warnung vor einem Ausfall und/oder einer Beschädigung elektrischer Bestandteile des elektrischen Energiespeichers ausgegeben werden kann. Somit kann die Gelegenheit genutzt werden, die elektrischen Bestandteile zu trocknen und/zu reparieren.
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Die Vorrichtung ist vergleichsweise kostengünstig, da ein relativ großer Oberflächenbereich mittels eines mittels der Sensorelektroden gebildeten Sensors zur Erfassung von Wasser in dem Gehäuse abgedeckt werden kann.
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Eine Anordnung der Vorrichtung erfordert einen verhältnismäßig geringen Bauraum, da mittels der Kapillarwirkung des Mattenelementes die Sensorelektroden nicht vollständig im Detektionsbereich verbaut sein müssen. Ist ein bauraumkritischer Bereich vorhanden, wird nur das Mattelement mit den Sensorelektroden in diesem Bereich verbaut.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers,
- 2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers,
- 3 schematisch eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers und
- 4 schematisch eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse eines elektrischen Energiespeichers.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse 2 eines nicht näher dargestellten elektrischen Energiespeichers, insbesondere für ein Fahrzeug. Bei dem elektrischen Energiespeicher handelt es sich insbesondere um eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges.
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In einem Gehäuse 2 eines elektrischen Energiespeichers, einer sogenannten Hochvoltbatterie, oder in Hochvoltbauteilen eines Antriebskreislaufes, beispielsweise einem Ladegerät, einer Leistungselektronik und/oder einer sogenannten E-Maschine, können bei Ansammlung von Wasser, insbesondere in Tropfenform, kritische Situationen durch ungewollte Kriechströme oder elektrische Kurzschlüsse auftreten.
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Im Allgemeinen ist bekannt, dass bisherige Sensoren zur Detektion von Wasser in einem Gehäuse 2 das Wasser, beispielsweise mittels Schließen eines Kontaktes, detektieren, solange sich das Wasser zwischen Kontaktflächen befindet. Handelt es sich nur um wenige Wassertropfen, ist eine Detektion dieser vergleichsweise schwierig. Insbesondere ist die Detektion schwierig, da sich die Wassertropfen im elektrischen Kontaktbereich des mittels des Sensors befinden oder, zum Beispiel in Bezug auf eine Messung über eine elektrische Leitfähigkeit, ist es erforderlich einen Messraum zwischen Messelektroden auszufüllen.
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Tritt das Wasser in Form von Luftfeuchtigkeit in das Gehäuse 2 oder das Hochvoltbauteil ein und kondensiert, ist die elektrische Leitfähigkeit nochmals verringert, wodurch eine elektrische Erfassung weiter erschwert ist.
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Mit anderen Worten nutzen bisherige Systeme zur Erkennung eines Wassereintrittes, insbesondere in das Gehäuse 2, primär die elektrische Leitfähigkeit von Wasser als Detektionsprinzip. Ein solches System kann eingetretenes Wasser in der Regel nur ab einer gewissen Menge und ausreichender elektrischer Leitfähigkeit vergleichsweise sicher detektieren. Oftmals kann das Wasser erst dann anhand der elektrischen Leitfähigkeit detektiert werden, wenn sich ein geschlossener Wasserfilm in dem System, das heißt dem Messsystem, gebildet hat.
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Im Folgenden wird anhand der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele eine Vorrichtung 1 beschrieben, die es ermöglicht, auch vergleichsweise geringe Wassermengen in dem Gehäuse 2 zu detektieren.
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Insbesondere ist die Vorrichtung 1 ausgebildet, eine elektrische Leitfähigkeit, eine Veränderung einer Permittivität einer Kondensatorkennlinie durch Elektrolyteintritt, eine elektrochemische Impedanz bei Anlegen eines elektrischen Wechselstromes oder einen elektrischen Stromfluss bei Anlegen eines elektrischen Gleichstromes zu erfassen.
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Dazu weist die Vorrichtung 1 ein Mattenelement 3 auf, welches aus einem Gewebe, einem Spinnvlies, einem Faserverbundwerkstoff, einem Schwamm, einem Papier und/oder einem ähnlich ausgebildeten, aufsaugendem, insbesondere für Wasser kapillar wirkenden Material gebildet ist. Insbesondere ist das Mattenelement 3 aus einem für Wasser kapillar wirkenden Material gebildet, mittels dessen eine Ausbreitung bereits erster Wassertropfen zwischen den Sensorelektroden 4, 5 der Vorrichtung 1 realisierbar ist und somit bereits einzelne Wassertropfen in dem Gehäuse 2 mit erheblich höherer Wahrscheinlichkeit als im Stand der Technik detektierbar sind.
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Das Mattenelement 3 wird während oder nach einem Herstellprozess mit einem festen oder gelösten Salz einer organischen oder anorganischen, insbesondere leicht in Wasser löslichen ionischen Verbindung beaufschlagt. Diese ionische Verbindung führt bei Zutritt von Wasser zur Auflösung zumindest eines Teiles des eingebrachten Salzes und somit zu einer verhältnismäßig starken Erhöhung einer ionischen Leitfähigkeit im Bereich des Mattenelementes 3 und somit zu einem deutlich veränderten Messsignal in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit, die Permittivität, der elektrischen Impedanz und/oder eines elektrischen Stromflusses im Messaufbau der Vorrichtung 1.
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Insbesondere werden Salze von Alkali- oder Erdalkalimetallen mit Halogeniden und/oder Anionen organischer oder anorganischer Säuren verwendet. Beispielsweise wird das Salz derart ausgewählt, dass die enthaltenen Ionen keine oder nur vernachlässigbare korrosive Angriffe an umgebenden Funktionswerkstoffen, insbesondere des elektrischen Energiespeichers, auslösen.
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Durch Verwendung des relativ kostengünstigen Mattenelementes 3 kann eine mittels der Vorrichtung 1 überwachte Fläche relativ stark vergrößert werden, wodurch sowohl eine Detektion vergleichsweise geringer Wassermengen als auch eine signifikante Kostenreduktion durch Verringerung einer Anzahl von Komponenten der Vorrichtung 1 möglich ist.
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Eine Anordnung des Messaufbaues der Vorrichtung 1 erfolgt insbesondere im unteren Bereich des Gehäuses 2, alternativ eines Bauteiles, oder im Bereich besonders durch Wassereintritt gefährdeter Bereiche, beispielsweise im Bereich von Dichtungen, Durchführungen, Kühlmittelanschlüssen etc.
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In einer Ausführung sind die Sensorelektroden 4, 5 der Vorrichtung 1 so ausgebildet und angeordnet, dass diese nach einem Flüssigkeitszutritt vergleichsweise einfach ausgetauscht werden können.
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Bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist das Mattenelement 3 am tiefsten Punkt des Gehäuses 2 angeordnet und erstreckt sich somit über einen Bodenbereich des Gehäuses 2.
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Dabei wird ein durch das Mattenelement 3 hindurchgeleiteter elektrischer Durchgang, das heißt ein Strompfad, durch Anlegen einer elektrischen Spannung, insbesondere einer Gleichspannung, an einer zusätzlichen positiven Sensorelektrode 4 gemessen. Bei Eintritt von Wassertropfen in das Gehäuse 2, welches ein Bezugspotential B bildet, also auf Masse liegt, wird ein durch das mit den Wassertropfen befeuchtete Mattenelement 3 fließender Strom gemessen.
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In einer in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist das Mattenelement 3 stehend zwischen zwei Sensorelektroden 4, 5 angeordnet. Mittels einer positiven Sensorelektrode 4, einer negativen Sensorelektrode 5 und dem Mattenelement 3 der Vorrichtung 1 ist Wasser, auch in vergleichsweise geringer Menge, in dem Gehäuse 2 detektierbar.
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In der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1 wird eine Veränderung einer elektrochemischen Impedanz durch Anlegen eines Wechselstromes an die Sensorelektroden 4, 5 oder eine Veränderung einer Permittivität durch Anlegen eines Gleichstromes an die Sensorelektroden 4, 5 durch Nutzung des Mattenelementes 3 als Elektrolytreservoir gemessen. Bei Befeuchtung des Mattenelementes 3 durch Wassertropfen wird das in dem Mattenelement 3 enthaltene Salz zu einem Flüssigelektrolyten, welcher eine elektrische Kapazität des mittels der beiden plattenförmig ausgebildeten Sensorelektroden 4, 5 dargestellten Kondensators verändert. Diese Kapazitätsänderung dient als Messgröße für einen Wassereintritt in das Gehäuse 2.
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In der in 3 gezeigten dritten Ausführung der Vorrichtung 1 sind die beiden Sensorelektroden 4, 5 gabelförmig ausgebildet. Dabei weist die positive Sensorelektrode 4 vier Zinken 4.1 und die negative Elektrode 5 drei Zinken 5.1 auf. Dabei sind die beiden Sensorelektroden 4, 5 derart zueinander angeordnet, dass die drei Zinken 5.1 der negativen Sensorelektrode 5 jeweils zwischen zwei Zinken 4.1 der positiven Sensorelektrode 4 angeordnet sind.
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Auch bei vergleichsweise geringer Wassermenge, die in das Gehäuse 2 eingetreten ist und von dem Mattenelement 3 aufgesaugt wurde, führt eine Dissoziation des in dem Mattenelement 3 enthaltenen Salzes zu einem erkennbaren Stromfluss zwischen den Zinken 4.1, 5.1 der beiden Sensorelektroden 4, 5. Dieser Stromfluss kann mittels einer vergleichsweise kostengünstigen Messtechnik der Vorrichtung 1 in der dritten Ausführungsform erfasst und gemessen werden.
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Eine verhältnismäßig kostengünstige und bauraumoptimierte vierte Ausführung der Vorrichtung 1 ist in 4 gezeigt.
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In der vierten Ausführungsform sind die beiden Sensorelektroden 4, 5 netzförmig ausgebildet. Alternativ dazu können die beiden Sensorelektroden 4, 5 als Gitter oder streifenförmig ausgebildet sein. Dabei ist es möglich, das Mattenelement 3 bei seiner Herstellung mit Leitbahnen zu bedrucken, so dass die beiden Sensorelektroden 4, 5 stoff- und/oder formschlüssig an und/oder in dem Mattenelement 3 angeordnet sind.
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Mittels der verschiedenen Ausführungen der Vorrichtung 1 können beziehungsweise kann eine elektrische Leitfähigkeit, eine Impedanz, eine elektrische Kapazität und/oder ein elektrischer Stromfluss elektrisch und/oder elektrochemisch gemessen werden.
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Hierzu ist in dem Gehäuse 2 das Mattenelement 3 aus einem Gewebe, Schwamm, Vlies, einem Faserverbundwerkstoff, Papier und/oder einem anderen geeigneten Material angeordnet. Dabei ist das Mattenelement 3 saugfähig und insbesondere gegenüber Wasser kapillar wirkend und das Mattenelement 3 ist mit einem wasserlöslichen Salz zur vergleichsweise starken Erhöhung einer elektrischen Leitfähigkeit einer in das Gehäuse 2 eingetretenen Flüssigkeit, insbesondere Wasser.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019215513 A1 [0002]
