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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Feuchteintritts in ein Gehäuse mit einem Hochvolt-Bauteil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Prinzipiell sind Vorrichtungen zur Erfassung eines Feuchteintritts aus dem Stand der Technik bekannt. Bei derartigen Vorrichtungen kann der Feuchteeintritt in ein Gehäuse mit einem Hochvolt-Bauteil erkannt werden. Bei einem Hochvolt-Bauteil kann es sich beispielsweise um Bauteile eines Antriebskreislaufs eines Fahrzeugs handeln, wie einem Ladegerät, Leistungselektronik oder elektrischen bzw. elektronischen Maschinen. Weiterhin kann es sich um ein Gehäuse von Hochvoltbatterien handeln, die in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet werden. Bei all diesen Bauteilen kann es bereits bei einer geringen Ansammlung von Wasser in Tropfenform zu kritischen Situationen kommen, insbesondere durch ungewollte Kriechströme oder elektrische Kurzschlüsse.
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Aus der
DE 10 2018 117 349 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit bekannt. Über zumindest einen Sensor, umfassend einen Kondensator mit zumindest zwei Elektroden, kann Druck sowie Feuchtigkeit gemessen werden. Zwischen den Elektroden ist zumindest eine dielektrische Schicht angeordnet. Auf einer einem Trägermaterial abgewandten Seite ist zumindest eine Elektrode und/oder die dielektrische Schicht angeordnet. Dabei sind die zumindest eine Elektrode und/oder die dielektrische Schicht in einer Querrichtung zwischen dem Trägermaterial und der Feuchteschicht angeordnet. So verändert sich eine Kapazität durch die auf die dielektrische Schicht auftreffende Flüssigkeit, die über einen kapazitiven Feuchtesensor gemessen werden kann.
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Diese und weitere bekannte Systeme können die Flüssigkeit beispielsweise durch Schließen eines elektrischen Kontakts detektieren, solange sich die Flüssigkeit bzw. das Medium zwischen den beiden Kontaktflächen befindet. Daher wird zur Detektion von Wassereintritt primär die Leitfähigkeit des Wassers als Detektionsprinzip verwendet. Derartige Vorrichtungen, beispielsweise auch Wasserwächter genannt, können in der Regel nur ab einer gewissen Wassermenge sowie bei einer ausreichenden Leitfähigkeit den Wassereintritt sicher detektieren.
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Handelt es sich nun um nur wenige Tropfen, ist die Detektion eines Feuchteeintritts schwierig bzw. kaum möglich, da sich diese Tropfen entweder genau im elektrischen Kontakt der Sensoren befinden müssen, oder, bei einer Messung über die Leitfähigkeit, einen Messraum zwischen den Elektronen ausfüllen müssen. Tritt beispielsweise Wasser in Form von Luftfeuchtigkeit in das Bauteil ein, wird eine Flüssigkeitsphase aus Kondensat gebildet. Diese hat nur eine sehr geringe Leitfähigkeit, wodurch die elektrische Erfassung sehr erschwert ist.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Drucksensoren zur Erkennung von thermischen Ereignissen bei Fehlfunktionen von Batteriezellen zu verwenden. Derartige Drucksensoren können Druckschwankungen zeitaufgelöst erfassen, sind jedoch bisher ungeeignet zur Erfassung von geringen Flüssigkeitsmengen, die in ein undichtes Gehäuse eindringen:
- Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Erfassung eines Feuchteintritts zu schaffen, welche die zuvor genannten Nachteile überwindet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Den Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet ein Gas- oder Druckerzeugungselement, das bei Kontakt mit Flüssigkeit in Tropfenform eine Gas- oder Druckentwicklung hervorruft, wobei ein Gas- oder Drucksensor mit dem Gas- oder Druckerzeugungselement in einem gemeinsamen Hüllelement angeordnet ist, und das Hüllelement über zumindest eine Zugangsöffnung mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei der Gas- oder Drucksensor einen Druckanstieg oder eine Gasentwicklung in dem Hüllelement erkennt, und ein Warnsignal ausgibt. Bei der Zugangsöffnung kann es sich um eine unterbrochene Stützstruktur an dem Gehäuse handeln. Vorteilhafterweise handelt es sich um mehrere, kleinflächige Bohrungen zum Gehäuseinnenraum.
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Beispielsweise kann in einer Ausführungsform ein sich bereits im Gehäuse befindender Drucksensor zur Erfassung eines Druckanstiegs durch thermische Ereignisse des Hochvolt-Bauteils um einen Gas- oder Drucksensor in einem Hüllelement, mit mindestens einer Zugangsöffnung zu dem Innenraum des Gehäuses, ergänzt werden. Bei dem Gas- oder Druckerzeugungselement kann es sich um ein chemisches Gas- oder Druckerzeugungselement handeln, das bei Kontakt mit Flüssigkeit in Tropfenform reagiert. Das Hüllelement bildet daher selbst eine Art Gehäuse aus, wodurch der erhöhte Druck- oder Gasanstieg in einem abgegrenzten Bereich ermöglicht wird und erfasst werden kann.
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Die Vorrichtung ist zur Erfassung eines Feuchteintritts in ein Gehäuse mit einem Hochvolt-Bauteil ausgelegt. Bei dem Gehäuse kann es sich beispielsweise um ein Batteriegehäuse handeln. Ebenso kann die Vorrichtung jedoch an alle durch einen Wassereintritt, insbesondere einen Wassereintritt in Tropfenform, gefährdeten Bauteilen angeordnet werden. Dies können beispielsweise Steuergeräte, Leistungselektroniken oder Elektroantriebe sein.
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Bevorzugt kann der Druckanstieg oder die Gasentwicklung einen von einem thermischen Ereignis abweichenden Gradienten aufweisen. Durch den Aufbau des Gas- oder Druckerzeugungselements kann eine Gasmenge erzeugt werden, die innerhalb des Hüllelements zu einem drastischen, d. h. einen sehr hohen, Druckanstieg führt. Dieser Druckanstieg kann von dem Gas- oder Drucksensor erfasst werden. Dabei weist der Gasanstieg bevorzugt einen derart hohen Gradienten auf, sodass dieser von einem Gradienten eines thermischen Ereignisses unterschieden werden kann.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass das Gas- oder Druckerzeugungselement einen wasserlöslichen Überzug aufweist. Dies kann Alterungsprozessen des Gas- oder Druckerzeugungselementes vorbeugen. So kann der Kontakt der Atmosphäre mit Reaktionsstoffen des Gas- oder Druckerzeugungselements vermieden werden. Der wasserlösliche Überzug kann leicht wasserlösliche Salze, insbesondere Chloride, organische Substanzen, insbesondere Zucker, und/oder Lacke, insbesondere Schellack, enthalten oder daraus bestehen. Der Überzug kann sich bei Kontakt mit flüssigen Substanzen, insbesondere Wasser, auflösen und damit die gaserzeugende Reaktion des Gas- oder Druckerzeugungselements ermöglichen.
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Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Gas- oder Druckerzeugungselement eine Salzverbindung auf Basis von Carbonaten und/oder Hydrogencarbonaten enthält. Ein derart chemisches Gas- oder Druckerzeugungselement kann bei Kontakt mit einer Flüssigkeit eine intensive Gasentwicklung hervorrufen. Insbesondere kann ein Gemisch der oben genannten Salzverbindung mit dem Salz einer wasserlöslichen Säure, insbesondere einer organischen Säure, beispielsweise Formiaten, Acetaten oder Citraten, enthalten sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass das Hüllelement eine Ausgleichsbohrung zum Innenbereich des Gehäuses aufweist. Diese kann an jeder beliebigen Stelle an dem Hüllelement angeordnet sein.
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Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Gas- oder Druckerzeugungselement in einer Strukturvertiefung an dem Gehäuse angeordnet ist. Dadurch kann sich durch die Schwerkraft und/oder Dynamik im Betrieb ein vorkommender Flüssigkeitstropfen bereits bei einer sehr geringen Gesamtflüssigkeitsmenge in der Strukturvertiefung ansammeln bzw. dorthin geleitet werden. Damit kann das Vorkommen von Flüssigkeit in Tropfenform bereits sehr früh detektiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass das Gas- oder Druckerzeugungselement und der Gas- oder Drucksensor in zwei Teilbereichen des Hüllelements angeordnet sind. So kann beispielsweise der Gas- oder Drucksensor räumlich getrennt von dem Gas- oder Druckerzeugungselement angeordnet werden.
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Dabei kann das Gas- oder Druckerzeugungselement an einer Position angeordnet werden, die besonders anfällig für Feuchtigkeit ist, oder besonders frühzeitig von Wassertropfen erreicht werden kann. Hingegen kann der Gas- oder Drucksensor an einer anderen Position angeordnet werden, die speziell vor Feuchtigkeit bzw. Tropfenentwicklung geschützt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann es vorsehen, dass die Teilbereiche über zumindest eine Zuleitung miteinander verbunden sind. Dadurch wird sichergestellt, dass der erhöhte Druckanstieg bzw. Gasanstieg in allen Teilbereichen gleichermaßen spürbar ist. Die Zuleitung kann eine gasführende und/oder pneumatische Verbindung zwischen den Teilbereichen herstellen.
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Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Gas- oder Drucksensor in einem bezüglich einer Gehäuseoberkante erhöhten Bereich angeordnet ist. So kann der Gas- oder Drucksensor vor Feuchtigkeit und damit vor Beschädigung geschützt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann zumindest ein weiterer Sensor zur Messung von Gehalten an Kohlendioxid und/oder Restsauerstoff umfasst sein. Damit können sowohl thermische Ereignisse innerhalb des Gehäuses, insbesondere Ereignisse an Batteriezellen durch Abbau von Sauerstoff bzw. Bildung von Kohlendioxid detektiert werden. Weiterhin können die von dem Gas- oder Druckerzeugungselement erzeugte Kohlendioxid bzw. eine durch diese hervorgerufene Verdrängung von Luftsauerstoff erfasst werden. Ebenso kann diese Funktion in den Gas- oder Drucksensor integriert sein. Im Falle eines thermischen Ereignisses kann beispielsweise über die Zugangsöffnung oder die Ausgleichsbohrung eine Detektion des Ereignisses von den Sensoren sichergestellt werden.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung;
- 2 eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung;
- 3 eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt. Innerhalb eines Hüllelements 5, das in dieser Ausführungsform in Form einer Haube ausgeführt ist, ist im oberen Bereich ein Gas- oder Drucksensor 4 angeordnet, im Bodenbereich ein Gas- oder Druckerzeugungselement 3. Das Gas- oder Druckerzeugungselement 3 ist direkt mit zumindest einer Zugangsöffnung 6 verbunden, welche eine Verbindung zu dem Gehäuse 2 herstellt, indem ein Hochvolt-Bauteil angeordnet ist. Im oberen Bereich ist an dem Hüllelement 5 eine Ausgleichsbohrung 8 angeordnet. Die Ausführungsform wäre ebenso ohne diese Ausgleichsbohrung 8 denkbar. Bei einem Eintritt von Wasser in Tropfenform reagiert das Gas- bzw. Druckerzeugungselement 3 und erzeugt innerhalb des Hüllelements 5 einen erheblichen Druckanstieg. Dieser kann von dem Sensor 4 detektiert werden. Bei Detektion eines derartigen Ereignisses kann eine gezielte Meldung abgegeben werden, beispielsweise an einen Fahrzeugführer oder ein Bedienpersonal.
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Eine weitere Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 ist in 2 zu erkennen. Dieselben Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass hierauf im Detail nicht weiter eingegangen werden muss. Im Unterschied zu 1 ist hier eine Kombination mit bereits konstruktiv auf dem Gehäuse 2 bzw. auf Platinen angebrachten Sensoren gezeigt. Das Hüllelement 5 kann hier als eine Art Aufsatzhaube eines klassischen Sensors ausgebildet sein. Innerhalb des Hüllelements 5 ist eine Trennwand 13 vorgesehen, die einen direkten Zutritt des Wassers zu dem Gas- bzw. Drucksensor 4 vermeidet. Dadurch kann das Hüllelement 5 in zwei Teilbereiche unterteilt werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1, wobei der Gas- oder Drucksensor 4 in einem bezüglich einer Gehäuseoberkante erhöhten Bereich angeordnet ist. Damit kann der Sensor 4 vor einem eventuellen Flüssigkeitszutritt zumindest kurzzeitig geschützt sein. In dieser Ausführungsform erfolgt die Anordnung des Gas- oder Druckerzeugungselements 3 örtlich getrennt von dem Sensor 4. Folglich weist das Hüllelement 5 unterschiedliche Teilbereiche 10 auf, die über Zuleitungen 11 miteinander verbunden sind. Diese Zuleitungen 11 sind gasführende und/oder pneumatische Verbindungen und können aus Rohren oder Schläuchen ausgebildet sein. Optional kann einer der Gas- oder Drucksensor 4 in einer Strukturvertiefung 9 an dem Gehäuse 2 angeordnet werden. So können sich durch die Schwerkraft und/oder Dynamik des Betriebs bewegte Flüssigkeitstropfen in diesem Bereich sammeln, sodass bereits bei geringer Gesamtflüssigkeitsvolumina eine Warnung ausgegeben werden kann.
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Selbstverständlich lassen sich die beschriebenen Ausführungsvarianten der Vorrichtung 1 in den 1 bis 3 auch untereinander kombinieren, sodass verschiedene Möglichkeiten entstehen. So kann beispielsweise die Ausführung gemäß 3 ohne Anbringung des Gas- oder Druckerzeugungselements 3 in einer Vertiefung erfolgen. Ebenso kann diese Ausführungsform beispielsweise nur zwei Teilbereiche 10 aufweisen. Weiterhin ist selbst verständlich die Form des Hüllelements 5 nicht auf die dargestellten Formen beschränkt.
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Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung 1 können daher insbesondere Hochvolt-Bauteile gegen Schäden durch Kriechströme und Kurzschluss geschützt werden. Ebenso kann ein Schutz eines Nutzers vor Querschlüssen an berührbaren Oberflächen erfolgen. Da eine Warnung bereits bei einer sehr geringen Flüssigkeitsmeng in Tropfenform hervorgeht, können kostenintensive Bauteile, insbesondere Batterien oder Elektroantriebe, geschützt oder gegebenenfalls getrocknet und repariert werden, bevor diese unbrauchbar sind. Die Vorrichtung kann weiterhin kostengünstig ausgeführt sein, wenn bereits in der Batterie vorhandene Sensoren zur Detektion verwendet werden. Ein Nachrüsten an bereits in Serie befindlichen Baureihen ist ebenso denkbar.
