DE102022003779B3 - Überwachungsvorrichtung und Verfahren für eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie - Google Patents

Überwachungsvorrichtung und Verfahren für eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie Download PDF

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Heiko Witzenhausen
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung (100) für eine Sensoreinrichtung (200) zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie, wobei die Sensoreinrichtung (200) wenigstens ein Brückenelement (40) aufweist, das mit einem Abstandssensor (46) zur Erfassung eines Abstands des Abstandssensors (46) von einer Endplatte (52) der Fahrzeugbatterie gekoppelt ist. Der Abstandssensor (46) weist einen Kontaktdorn (20) auf, welcher mittels eines mechanischen Kopplungselements (24) in einer Durchgangsöffnung (48) des wenigstens einen Brückenelements (40) angeordnet ist. Die Überwachungsvorrichtung (100) umfasst wenigstens eine Messeinheit (10), welche mit wenigstens einem ersten Kontaktpunkt (1) an einem Kopfelement (22) des Kontaktdorns (20) und mit wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt (2, 3) an dem mechanischen Kopplungselement (24) mit dem wenigstens einen Brückenelement (40) elektrisch verbunden ist. Dabei ist die Messeinheit (10) ausgebildet, elektrische Eigenschaften an dem oder in dem Kontaktdorn (20) des Abstandssensors (46) zu bestimmen.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen einer Sensoreinrichtung (200) mit einer Überwachungsvorrichtung (100).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie sowie ein Verfahren zum Überwachen einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung.
  • In Hochvolt-Batterien werden sogenannte Zelldickenwachstumssensoren verbaut, um die Ausdehnung der Batteriezellen bei Nutzung oder Lagerung bewerten zu können. Durch das Wachstum der Batteriezellen, verursacht durch kalendarische und zyklische Alterung entsteht ein mechanischer Druck auf das Batteriegehäuse. Der Kraftanstieg kann in Extremfällen zum Verlust der mechanischen Integrität des Batterie-/Modul-Gehäuses führen. Daher werden sogenannte Zelldickenwachstumssensoren genutzt, die vor dem Verlust der mechanischen Integrität das Batteriesystem permanent deaktivieren. Die Abschaltung wird üblicherweise durch einen Kontaktdorn reguliert, welcher bei großer Ausdehnung der Zellen die Endplatte des Batterie-/Modul-Gehäuses kontaktieren lässt und ein Abschaltsignal generiert.
  • Die DE 10 2018 002 221 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung mit einem Brückenelement, mittels welchem ein Abstandsensor relativ zu einer Endplatte des Batteriekörpers positioniert ist und welches eine Abstützeinrichtung aufweist, über welche das Brückenelement gegen die Endplatte abstützbar ist und mittels welcher eine Formveränderung der Endplatte zum Brückenelement hin in Folge einer Volumenänderung des Batteriekörpers ausgleichbar ist. Bei einer Anordnung der Sensoreinrichtung an der Endplatte des Batteriekörpers ist der Abstandssensor in dem Grundzustand beabstandet zu der Endplatte angeordnet. In einem eine definierte Formveränderung der Endplatte charakterisierenden Fehlerzustand ist der Abstandssensor mit der Endplatte kontaktiert. Mittels des Abstandssensors kann in Abhängigkeit von einer erfassten Potentialdifferenz zwischen dem Abstandssensor und der Endplatte der Grundzustand und der Fehlerzustand festgestellt werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungsvorrichtung für eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie zu schaffen.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Überwachen einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung anzugeben.
  • Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Überwachungsvorrichtung für eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie vorgeschlagen, wobei die Sensoreinrichtung wenigstens ein Brückenelement aufweist, das mit einem Abstandssensor zur Erfassung eines Abstands des Abstandssensors von einer Endplatte der Fahrzeugbatterie gekoppelt ist. Der Abstandssensor weist einen Kontaktdorn auf, welcher mittels eines mechanischen Kopplungselements in einer Durchgangsöffnung des wenigstens einen Brückenelements angeordnet ist. Die Überwachungsvorrichtung umfasst wenigstens eine Messeinheit, welche mit wenigstens einem ersten Kontaktpunkt an einem Kopfelement des Kontaktdorns und mit wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt an dem mechanischen Kopplungselement mit dem wenigstens einen Brückenelement elektrisch verbunden ist. Dabei ist die Messeinheit ausgebildet, elektrische Eigenschaften an dem oder in dem Kontaktdorn des Abstandssensors zu bestimmen.
  • Mit Hilfe der vorgeschlagenen Überwachungsvorrichtung können Manipulationen an einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie (kurz Zelldickenwachstumssensor) frühzeitig erkannt werden. So kann beispielsweise ein typischer Angriff auf den Zelldickenwachstumssensor erkannt werden, bei dem der Kontaktierungsdorn aus der Sollposition ausgelenkt oder herausgedreht wird. Dieser wird aktuell nur durch ein Adhäsiv in seiner Position fixiert. Mit größerer Kraft kann der Dorn herausgedreht werden und damit das Lebensende der Batterie weiter nach hinten herausgezögert werden. Einen weiteren Angriff auf den Zelldickenwachstumssensor stellt das Kürzen des Kontaktdorns dar. Durch das Abtrennen von Teilen des Kontaktdorns kann verhindert werden, dass ein Kontakt zur Endplatte zustande kommt. Dadurch kann es zu einer verspäteten oder keiner Sicherheitsreaktion kommen.
  • Beide Angriffe können dazu führen, dass die Batterie außerhalb des erlaubten Betriebsfensters betrieben wird und dabei Sicherheitsmechanismen umgangen werden, die den sicheren Betrieb erlauben sollten. Ein Umgehen dieser Mechanismen kann im schlimmsten Fall zu einem Batteriebrand führen und stellt damit ein ernsthaftes Risiko für Leib und Leben dar.
  • Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Messeinheit, welche das teilweise oder komplette Herausdrehen oder Kürzen des Kontaktdorns erkennt. Eine Veränderung an dem Kontaktdorn kann dabei über ein Verfahren erkannt werden, welches mithilfe der Messeinheit umgesetzt werden kann. Um die Sensoreinrichtung gegen Tausch und/oder Veränderung zu sichern, kann diese so durch eindeutige Identifikationsmerkmale markiert werden.
  • Durch die Integration der Messeinheit in den Zelldickenwachstumssensor kann so vorteilhaft eine nicht vorgesehene Veränderung des Messsystems, beispielsweise durch Manipulation oder durch Degradation der mechanischen Halterung erkannt werden.
  • Durch das Implementieren einer Widerstandsmessung oder Impedanzmessung und eines schlecht leitenden Kontaktdorns kann eine elektrische Überprüfung, insbesondere eine Positionsüberprüfung des Kontaktdorns durchgeführt werden. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob der Kontaktdorn sich noch immer im Sollzustand befindet oder ob es zu einer Abweichung vom Sollzustand gekommen ist. Der Widerstand kann dabei durch eine schlecht leitendende Schraube vergrößert werden, damit eine Widerstandsvermessung vereinfacht wird. Für eine Überprüfung sind mindestens zwei Kontaktpunkte nötig. Eine davon befindet sich zweckmäßigerweise am Kopfelement des Kontaktdorns und der andere kann flexibel an eine Mutter oder ähnliches angebracht werden. Durch Vermessung des Widerstands zwischen den Kontaktpunkten ist es dann möglich, eine Veränderung der Sollposition des Kontaktdorns festzustellen. Ist der vermessene Widerstand ein bereits bekannter Wert, so kann davon ausgegangen werden, dass sich der Kontaktdorn noch in einer korrekten Position befindet. Der gemessene Widerstand kann dabei als Identifikationsmerkmal herangezogen werden, da sich dieser je nach Montage leicht verändern kann. Um weitere unterschiedlichere Identifikationsmerkmale zu generieren, können auch zusätzliche Identifikationsmerkmale, wie beispielsweise Widerstände oder RC-Glieder, implementiert werden.
  • Vorteilhaft kann durch das Anbringen einer Überwachungsvorrichtung an der Sensoreinrichtung eine nicht vorgesehene Veränderung des Messsystems, beispielsweise durch Herausdrehen des Kontaktdorns erkannt werden. Weiter ist ein Schutz gegen einen Tausch des Abstandssensors durch eine eindeutige Identifizierbarkeit des Abstandssensors über Identifikationsmerkmale gegeben. Eine Selbstdiagnose durch Erkennen dieser Identifikationsmerkmale ist möglich. Fehlerzustände können festgestellt werden. Ein spezieller Kontaktdorn mit zusätzlichen Identifikationsmerkmalen lässt eine Manipulation besonders einfach erkennen. Zusätzlich kann durch die Überwachungsvorrichtung eine höhere Diagnosefähigkeit der Sensoreinrichtung geschaffen werden, welche für sicherheitsrelevante Analysen herangezogen werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann die Messeinheit zum Bestimmen einer elektrischen Impedanz und/oder zum Bestimmen eines elektrischen Widerstands ausgebildet sein. Durch das Implementieren einer Widerstandsmessung oder Impedanzmessung und eines schlecht leitenden Kontaktdorns kann vorteilhaft eine elektrische Überprüfung, insbesondere eine Positionsüberprüfung des Kontaktdorns durchgeführt werden. Die Werte können günstigerweise mit ausreichender Genauigkeit und begrenztem Aufwand gemessen werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann die Messeinheit zum Erzeugen von elektrischen Signalen als elektrische Pulse und/oder Rampen und/oder Rechteckanregungen ausgebildet sein. Durch das Einprägen einer Signalgröße ist es möglich, den aktuellen Widerstand und/oder die Impedanz zu bestimmen. Dies kann durch eine Vielzahl von Messmethoden über Pulse, Rampen, Rechteckanregungen erfolgen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann die Messeinheit ein Element zum Durchführen einer Impedanzspektroskopie aufweisen. Eine vorteilhafte Ausprägung stellt die Impedanzspektroskopie dar, welche es erlaubt, mit unterschiedlichen Frequenzen das System anzuregen und damit mehrere frequenzabhängige Merkmale zu bestimmen. Typische Frequenzen können dabei 10 Hz, 100 Hz, 1000 Hz und Gleichstrom/Gleichspannung sein. Dies macht das Verfahren noch sicherer.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann ein Identifikationselement zur Identifizierung in den Abstandssensor integriert sein. Insbesondere kann dabei das Identifikationselement als ein Sicherheitselement zur Authentifizierung, insbesondere zur Kommunikation mit einem Batteriemanagementsystem, ausgebildet sein. Günstigerweise kann das Identifikationselement, beispielsweise ein Widerstand oder ein RC-Glied in den Kontaktdorn integriert werden. Ein zusätzliches Sicherheitselement, beispielsweise ein Sicherheitschip, bietet eine noch größere Sicherheit zur Authentifizierung des Abstandssensors.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann der Kontaktdorn mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten entlang seiner Längserstreckung ausgebildet sein. Ein Identifikationsmerkmal kann so beispielsweise durch unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten im oberen und unteren Bereich des Kontaktdorns erzeugt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann der Kontaktdorn eine erste leitende Verbindung in einem im Inneren des Kontaktdorns verlaufenden isolierenden Hohlkanal aufweisen, welche mit einer zweiten leitenden Verbindung auf einer Außenseite des Kontaktdorns über einen an einer Spitze des Kontaktdorns verlaufenden Kontakt elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch kann eine Veränderung des Kontaktdorns besonders einfach detektiert werden. Ein Abtrennen des Kontaktdorns führt zu einem Verlust der Messfähigkeit, da die innenliegende leitende Verbindung keinen Kontakt mehr zum Gewinde außen und damit zum zweiten Kontaktpunkt hat. Sollte der elektrische Kontakt wiederhergestellt werden, hat sich der Widerstand des Kontaktdorns stark verändert. Dies kann einfach festgestellt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung kann die Messeinheit in den Abstandssensor integriert sein. Auf diese Weise kann eine kompakte Einheit geschaffen werden, welche günstigerweise Bauraum spart und zusätzliche Sicherheit vor externer Manipulation bietet.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Überwachen einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung, wobei wenigstens nach bestimmungsgemäßer Montage der Überwachungsvorrichtung an einem Batteriekörper der Fahrzeugbatterie, insbesondere in einer Fahrzeugproduktion, durch eine Messeinheit elektrische Eigenschaften an dem oder in dem Kontaktdorn des Abstandssensors bestimmt und abgespeichert werden. Weiter werden wenigstens vor einem Betrieb der Fahrzeugbatterie im Fahrzeug elektrische Eigenschaften des Abstandssensors bestimmt und mit den gespeicherten Messwerten verglichen. Dabei wird abhängig von einer Größe einer Abweichung der aktuell bestimmten Messwerte von den gespeicherten Messwerten eine Fehlerbehandlung eingeleitet.
  • Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können Manipulationen an einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie (kurz Zelldickenwachstumssensor) frühzeitig erkannt werden. So kann beispielsweise ein typischer Angriff auf den Zelldickenwachstumssensor erkannt werden, bei dem der Kontaktierungsdorn aus der Sollposition ausgelenkt oder herausgedreht wird. Dieser wird aktuell nur durch ein Adhäsiv in seiner Position fixiert. Mit größerer Kraft kann der Dorn herausgedreht werden und damit das Lebensende der Batterie weiter nach hinten herausgezögert werden. Einen weiteren Angriff auf den Zelldickenwachstumssensor stellt das Kürzen des Kontaktdorns dar. Durch das Abtrennen von Teilen des Kontaktdorns kann verhindert werden, dass ein Kontakt zur Endplatte zustande kommt. Dadurch kann es zu einer verspäteten oder keiner Sicherheitsreaktion kommen.
  • Beide Angriffe können dazu führen, dass die Batterie außerhalb des erlaubten Betriebsfensters betrieben wird und dabei Sicherheitsmechanismen umgangen werden, die den sicheren Betrieb erlauben sollten. Ein Umgehen dieser Mechanismen kann im schlimmsten Fall zu einem Batteriebrand führen und stellt damit ein ernsthaftes Risiko für Leib und Leben dar.
  • Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Messeinheit, welche das teilweise oder komplette Herausdrehen oder Kürzen des Kontaktdorns erkennt. Eine Veränderung an dem Kontaktdorn kann dabei vorteilhaft über das Verfahren erkannt werden, welches mithilfe der Messeinheit umgesetzt werden kann. Um die Sensoreinrichtung gegen Tausch und/oder Veränderung zu sichern, kann diese so durch eindeutige Identifikationsmerkmale markiert werden.
  • Durch das Implementieren einer Widerstandsmessung oder Impedanzmessung und eines schlecht leitenden Kontaktdorns kann eine elektrische Überprüfung, insbesondere eine Positionsüberprüfung des Kontaktdorns durchgeführt werden. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob der Kontaktdorn sich noch immer im Sollzustand befindet oder ob es zu einer Abweichung vom Sollzustand gekommen ist. Der Widerstand kann dabei durch eine schlecht leitendende Schraube vergrößert werden, damit eine Widerstandsvermessung vereinfacht wird. Für eine Überprüfung sind mindestens zwei Kontaktpunkte nötig. Eine davon befindet sich zweckmäßigerweise am Kopfelement des Kontaktdorns und der andere kann flexibel an eine Mutter oder ähnliches angebracht werden. Durch Vermessung des Widerstands zwischen den Kontaktpunkten ist es dann möglich, eine Veränderung der Sollposition des Kontaktdorns festzustellen. Ist der vermessene Widerstand ein bereits bekannter Wert, so kann davon ausgegangen werden, dass sich der Kontaktdorn noch in einer korrekten Position befindet. Der gemessene Widerstand kann dabei als Identifikationsmerkmal herangezogen werden, da sich dieser je nach Montage leicht verändern kann. Um weitere unterschiedliche Identifikationsmerkmale zu generieren, können auch zusätzliche Identifikationsmerkmale, wie beispielsweise Widerstände oder RC-Glieder, mit einbezogen werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann durch die Messeinheit eine elektrische Impedanz und/oder wenigstens ein elektrischer Widerstand zwischen wenigstens einem ersten Kontaktpunkt an einem Kopfelement eines Kontaktdorns des Abstandssensors und wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt an einem mechanischen Kopplungselement mit wenigstens einem Brückenelement bestimmt werden. Insbesondere können dabei Signale wenigstens in Form von Pulsen, und/oder Rampen, und/oder Rechteckanregungen auf die Kontaktpunkte eingeprägt werden. Weiter kann die Messeinheit insbesondere eine Impedanzspektroskopie durchführen.
  • Bei Inbetriebnahme des Zelldickenwachstumssensors können die elektrischen Widerstände und/oder die elektrische Impedanz vermessen und als Lernwerte gespeichert werden. Die Widerstände und/oder Impedanzwerte können über die Lebenszeit kontinuierlich vermessen und gegen die Lernwerte abgeglichen werden. Sollte es zu einer Abweichung kommen, kann von einer nicht ordnungsgemäßen Kontaktierung ausgegangen werden, beispielsweise durch Manipulation oder mechanische Degradation. Beide Fälle sind sicherheitsrelevant.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine Schnittdarstellung einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    • 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Sensoreinrichtung nach 1 mit dem Abstandssensor;
    • 3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kontaktdorn eines Abstandssensors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    • 4 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Überwachen einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Sensoreinrichtung 200 zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die Sensoreinrichtung 200 weist ein Brückenelement 40 in Form eines Dreibeins auf, das mit einem Abstandssensor 46 zur Erfassung eines Abstands des Abstandssensors 46 von einer Endplatte 52 der Fahrzeugbatterie gekoppelt ist. Das Brückenelement 40 ist mit drei Befestigungselementen 44 von Abstützvorrichtungen 42, beispielsweise in Form von Schraubverbindungen, mit der Endplatte 52 mechanisch verbunden. Da 1 nur eine Schnittdarstellung zeigt, sind von dem Dreibein nur zwei Schenkel zu erkennen, die mit zwei Abstützeinrichtungen 42 an der Endplatte 52 befestigt sind.
  • Die Endplatte 52 ist am Ende eines Batteriekörpers 50 der Fahrzeugbatterie angeordnet. Wird durch Batteriezellen des Batteriekörpers 50 auf Grund von Zelldickenwachstum eine Kraft auf die Endplatte 52 ausgeübt, beult sich die Endplatte 52 in Richtung des Abstandssensors 46 aus, wodurch sich der Abstand zwischen Endplatte 52 und Abstandssensor 46 ändert bis hin zu einem physischen Kontakt zwischen Endplatte 52 und Abstandssensor 46.
  • Der Abstandssensor 46 weist einen Kontaktdorn 20 auf, welcher mittels eines mechanischen Kopplungselements 24, beispielsweise einer Mutter, welche auf das Gewinde des Kontaktdorns 20 geschraubt ist, in einer Durchgangsöffnung 48 des Brückenelements 40 angeordnet ist. Sollte dieser Kontaktdorn 20 mit der Endplatte 52 kontaktieren, so wird die Batterie abgeschaltet, um eine sicherheitskritische Situation zu unterbinden. Über dem Abstandssensor 46 ist ein Abdeckelement 54 angeordnet, sodass der Abstandssensor 46 gegen Zugriff und vor Beschädigungen geschützt ist.
  • Die Überwachungsvorrichtung 100 umfasst eine Messeinheit 10, welche nur schematisch dargestellt ist. Vorteilhaft kann die Messeinheit 10 beispielsweise in den Abstandssensor 46 integriert sein.
  • Die Messeinheit 10 ist mit wenigstens einem ersten Kontaktpunkt 1 an einem Kopfelement 22 des Kontaktdorns 20 und mit wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt 2 an dem mechanischen Kopplungselement 24 mit dem Brückenelement 40 elektrisch verbunden. Die Messeinheit 10 ist dazu ausgebildet, elektrische Eigenschaften an dem oder in dem Kontaktdorn 20 des Abstandssensors 46 zu bestimmen.
  • Um die ordnungsgemäße Position des Kontaktdorns 20 und damit auch die Funktionsfähigkeit Sensoreinrichtung 200 zu gewährleisten, kann beispielsweise eine Widerstandsmessung oder eine Impedanzmessung zwischen Kontaktdorn 20 und mechanischer Positionierungseinheit des Abstandssensors durchgeführt werden. Zweckmäßig kann so die Messeinheit 10 zum Bestimmen einer elektrischen Impedanz Z12 und/oder zum Bestimmen eines elektrischen Widerstands R12 ausgebildet sein. Dazu kann das Kopfelement 22 des Kontaktdornes 20 an dem ersten Kontaktpunkt 1 elektrisch kontaktiert werden und an dem mechanischen Kopplungselement 24 mit dem Brückenelement 40, welches in das Außengewinde des Kontaktdorns 20 eingreift, ein Spannungsabgriff angebracht werden.
  • Durch das Einprägen einer Spannung und dem Messen des Stromes kann zwischen den Kontaktpunkten 1, 2 der elektrische Widerstand oder die Impedanz bestimmt und auf eine Veränderung gegenüber dem Zustand direkt nach der Produktion der Batterie überprüft werden. Das Verfahren kann auch mit Einprägen eines Stromes und dem Messen von Spannungen durchgeführt werden.
  • Je nach Anregungsform des elektrischen Signals, das eingeprägt wird, beispielsweise ein Sinus-Signal, ein Rechteck-Signal, oder ein Puls, können auch weitere elektrische Eigenschaften oder Identifikationsmerkmale vermessen werden. Die Messeinheit 10 kann deshalb zweckmäßig zum Erzeugen von elektrischen Signalen als elektrische Pulse und/oder Rampen und/oder Rechteckanregungen ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft kann die Messeinheit 10 ein Element zum Durchführen einer Impedanzspektroskopie aufweisen. Dies macht das Verfahren noch sicherer.
  • Vorteilhaft kann ein Identifikationselement, beispielsweise ein Widerstand oder ein RC-Glied, zur Identifikation in den Abstandssensor 46 integriert sein. Dies kann beispielsweise durch einen Kontaktdorn 20 mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten entlang seiner Längserstreckung 26 im oberen und unteren Bereich erzeugt werden oder durch das explizite Einbringen eines Widerstands oder RC-Glieds.
  • Ebenfalls ist die durch den Produktionsprozess bedingte Kontaktierung an den Kontaktpunkten 1, 2 des Kontaktdorns 20 nicht in jedem Abstandssensor 46 gleich und kann ebenfalls als Identifikationsmerkmal herangezogen werden.
  • Diese Identifikationsmerkmale können als eine Art Fingerabdruck angesehen werden, anhand dessen der Abstandssensor 46 später identifiziert werden kann. Der Fingerabdruck kann sich im einfachsten Fall aus analogen Bauteilen wie Widerstand oder Kondensator zusammensetzen, aber auch beispielsweise durch komplexere Bauteile wie einem Sicherheitselement, beispielsweise ein Security-IC, beispielsweise DS28C40 der Firma Maxim Integrated, abgebildet werden. Das Sicherheitselement kann zusätzlich noch mit weiteren Kommunikationsverbindungen, beispielsweise zu einem Batteriemanagementsystem, ausgebildet sein.
  • 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Sensoreinrichtung 100 nach 1 mit dem Abstandssensor 46. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist außer dem ersten Kontaktpunkt 1 am Kopfelement 22 des Kontaktdorns 46 und dem zweiten Kontaktpunkt 2 an dem Kopplungselement 24, beispielsweise einer Mutter, ein dritter Kontaktpunkt 3 an dem Abdeckelement 54 angeordnet, wo der Kontaktdorn 20 zusätzlich verschraubt sein kann. So kann die Messeinheit 10 zwei elektrische Impedanzwerte Z12, Z13 und/oder zwei elektrische Widerstandswerte R12, R13 jeweils zwischen den Kontaktpunkten 1 und 2, bzw. 1 und 3 bestimmen. Dadurch kann zusätzliche Information zu dem Abstandssensor 46 bestimmt werden, was die Sicherheit zum Erkennen einer Manipulation erhöht.
  • In 3 ist eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kontaktdorn 20 eines Abstandssensors 46 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Der Kontaktdorn 20 weist eine erste leitende Verbindung 32 in einem im Inneren des Kontaktdorns 20 verlaufenden isolierenden Hohlkanal 30 auf, welche mit einer zweiten leitenden Verbindung 34 auf einer Außenseite des Kontaktdorns 20 über einen an einer Spitze 28 des Kontaktdorns 20 verlaufenden Kontakt 36 elektrisch leitend verbunden ist. Der Hohlkanal 30 kann beispielsweise mit einer isolierenden Hülse um die erste leitende Verbindung 32 ausgebildet sein. An der Spitze 28 des Kontaktdorns 20 kann der elektrische Kontakt zwischen innenliegender Verbindung 32 und zweiter außen verlaufender Verbindung 34 über den Kontaktpfad 36 hergestellt werden, sodass mit der Messeinheit 10 der komplette Verbindungspfad 32, 34, 36 überprüft werden kann.
  • Dadurch kann eine Veränderung des Kontaktdorns 20 besonders einfach detektiert werden. Ein Abtrennen des Kontaktdorns 20 führt zu einem Verlust der Messfähigkeit, da die innenliegende leitende Verbindung 32 keinen Kontakt mehr zum Gewinde außen und damit zum zweiten Kontaktpunkt 2 an der außen liegenden Verbindung 34 hat. Sollte der elektrische Kontakt wiederhergestellt werden, hat sich der Widerstand des Kontaktdorns stark verändert. Dies kann einfach festgestellt werden.
  • Auf diese Weise kann leicht festgestellt werden, wenn der Kontaktdorn 20 beispielsweise gekürzt wurde, um den Abschaltzeitpunkt der Batterie hinauszuzögern. Auch eine nach der Kürzung wiederhergestellte Kontaktierung zwischen der innen liegenden Verbindung 32 und der außen verlaufenden Verbindung 34 kann festgestellt werden.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Überwachen einer Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren werden wenigstens nach bestimmungsgemäßer Montage der Überwachungsvorrichtung 100 an einem Batteriekörper 50 der Fahrzeugbatterie, insbesondere in einer Fahrzeugproduktion, durch eine Messeinheit 10 elektrische Eigenschaften an dem oder in dem Kontaktdorn 20 des Abstandssensors 46 bestimmt und abgespeichert. Dies ist in dem Anlernvorgang S300 der Überwachungsvorrichtung 100 dargestellt.
  • Wenigstens vor einem Betrieb der Fahrzeugbatterie im Fahrzeug werden elektrische Eigenschaften des Abstandssensors 46 bestimmt und mit den gespeicherten Messwerten verglichen. Dabei wird abhängig von einer Größe einer Abweichung der aktuell bestimmten Messwerte von den gespeicherten Messwerten eine Fehlerbehandlung eingeleitet. Dies ist in dem Startvorgang S400 des Fahrzeugs dargestellt.
  • Durch die Messeinheit 10 wird dabei wenigstens eine elektrische Impedanz Z12, Z13 und/oder wenigstens ein elektrischer Widerstand R12, R13 zwischen wenigstens einem ersten Kontaktpunkt 1 an dem Kopfelement 22 des Kontaktdorns 20 des Abstandssensors 46 und wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt 2, 3 an dem mechanischen Kopplungselement 24 mit dem Brückenelement 40 bestimmt. Insbesondere können dabei Signale wenigstens in Form von Pulsen, und/oder Rampen, und/oder Rechteckanregungen auf die Kontaktpunkte 1, 2, 3 eingeprägt werden. Besonders vorteilhaft kann die Messeinheit 10 eine Impedanzspektroskopie durchführen.
  • Bei dem Ablaufdiagramm des Verfahrens in 4 wird ein Sicherheitselement, beispielsweise ein sogenannter Security-Chip zur Authentifizierung der Sensoreinrichtung 200 benutzt. Deshalb gibt es auch einen Anlernvorgang S320 bei einem, in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 nicht dargestellten, Batteriemanagementsystem.
  • Die Überwachungsvorrichtung 100 kann anhand von wenigstens einem, insbesondere in der Messeinheit 10 angeordneten, Sicherheitselement als Identifikationselement identifiziert werden. Wenigstens nach bestimmungsgemäßer Montage der Überwachungsvorrichtung 100 können Identifizierungsdaten des Identifikationselements, insbesondere Authentifizierungsdaten des Sicherheitselements in der Ausprägung als Sicherheitschip, von der Messeinheit 10 an das Batteriemanagementsystem gesendet und in dem Batteriemanagementsystem gespeichert werden.
  • In der Fahrzeugproduktion bzw. nach Verbau der Sensoreinrichtung 200 mit der Überwachungsvorrichtung 100 und der Verkabelung an das Batteriemanagementsystem kann der Anlernvorgang S300 der Überwachungsvorrichtung 100 gestartet werden. Im Schritt S302 wird das Batteriemanagementsystem 30 gestartet.
  • Sodann wird in Schritt S304 die Messeinheit 10 der Überwachungsvorrichtung 100 gestartet und in Schritt S306 beispielsweise eine Impedanzbestimmung durchgeführt. Diese Daten werden im Schritt S308 bevorzugt lokal in der Überwachungseinheit 100 gespeichert und beispielsweise über ein Sicherheitselement gegen Manipulation geschützt. Redundant dazu werden die Daten in Schritt S310 an das Batteriemanagementsystem gesendet.
  • Die wenigstens nach bestimmungsgemäßer Montage der Überwachungsvorrichtung 100 bestimmten Messwerte können an das Batteriemanagementsystem gesendet und in dem Batteriemanagementsystem gespeichert werden.
  • Zusätzlich werden in Schritt S322 die Authentifizierungseigenschaften, welche sowohl die Messwerte als auch Authentifizierungseigenschaften eines Sicherheitschips beinhalten können, an das Batteriemanagementsystem gesendet. Das Batteriemanagementsystem speichert in Schritt S324 sowohl die Authentifizierungsdaten als auch die initiale Impedanzvermessung. Damit kann die Sensoreinrichtung 200 beim Starten anhand von mehreren Merkmalen, wie beispielsweise Sicherheitselement, initiale Impedanzvermessung, Identifikationsmerkmalen authentifiziert werden.
  • Im Betrieb des Fahrzeugs mit der Batterie findet dann ein Startvorgang S400 des Fahrzeugs statt.
  • In 4 ist das Verfahren beim Hochfahren des Batteriemanagementsystems dargestellt. Nach dem Starten der Messeinheit 10 in Schritt S402 kann dann in Schritt S404 die Authentifizierung der Sensoreinrichtung 200 überprüft werden.
  • Wenigstens vor einem Betrieb der Fahrzeugbatterie im Fahrzeug können so Authentifizierungsdaten des wenigstens einen Identifikationselements, insbesondere des Sicherheitselements, der Messeinheit 10 mit den im Batteriemanagementsystem gespeicherten Authentifizierungsdaten verglichen werden, und bei einer mangelnden Übereinstimmung der Authentifizierungsdaten eine Fehlerbehandlung eingeleitet werden.
  • Sollte diese nicht übereinstimmen, kann in Schritt S416 in eine Fehlerreaktion übergegangen werden. Eine Fehlerreaktion könnte beispielsweise sein, dass kein Laden mehr zugelassen wird, was großen Einfluss für das Zelldickenwachstum bedeutet. Weiter könnte eine Warnung an den Kunden gegeben werden, beispielsweise dass ein sofortiger Werkstattbesuch notwendig ist. Weiter könnte eine Nachricht an ein Backend gegeben werden oder die Batterieschütze könnten nicht mehr geschlossen werden.
  • Wenn die Sensoreinrichtung 200 in Schritt S404 positiv authentifiziert wurde, kann in Schritt S406 eine Impedanzmessung durchgeführt werden. Diese Messdaten können in Schritt S408 mit den Anlerndaten verglichen werden. Dies kann sowohl im Batteriemanagementsystem als auch in der Überwachungseinheit 100 erfolgen. Die wenigstens vor einem Betrieb der Fahrzeugbatterie im Fahrzeug bestimmten Messwerte können so mit den im Batteriemanagementsystem gespeicherten Messwerten verglichen werden.
  • Sollte in Schritt S410 nur eine kleine (unter einer vorgegebenen Grenze) oder keine Abweichung zwischen Messung und Anlernwert vorhanden sein, so kann die Messeinheit 10 in Schritt S412 deaktiviert werden und im Schritt S414 in den normalen Fahrbetrieb übergegangen werden. Das Fahrzeug darf in Betrieb genommen und die Batterieschütze dürfen geschlossen werden.
  • Falls es eine große Abweichung gibt, Schritt S420, dann kann der Fehler im Schritt S422 identifiziert werden und daraufhin entschieden werden, ob es zu einer signifikanten Beeinflussung der Sensoreinrichtung 200 gekommen ist. In einem signifikanten Fall, wird in Schritt S424 eine Fehlerreaktion eingeleitet. In einem nicht signifikanten Fall könnte beispielsweise nur eine Warnung ausgegeben werden.
  • Danach kann die Messeinheit in Schritt S426 deaktiviert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Messstelle
    10
    Messeinheit
    20
    Kontaktdorn
    22
    Kopfelement
    24
    Kopplungselement
    26
    Längserstreckung
    28
    Spitze
    30
    Hohlkanal
    32
    erste leitende Verbindung
    34
    zweite leitende Verbindung
    36
    Kontakt
    38
    Körper
    40
    Brückenelement
    42
    Abstützeinrichtung
    44
    Befestigungselement
    46
    Abstandssensor
    48
    Durchgangsöffnung
    50
    Batteriekörper
    52
    Endplatte
    54
    Abdeckelement
    100
    Überwachungsvorrichtung
    200
    Sensoreinrichtung
    1
    Kontaktstelle
    2
    Kontaktstelle
    3
    Kontaktstelle
    R12
    Widerstand
    R13
    Widerstand
    Z12
    Impedanz
    Z13
    Impedanz
    S300
    Anlernvorgang Überwachungsvorrichtung
    S320
    Anlernvorgang BMS
    S400
    Startvorgang Fahrzeug

Claims (10)

  1. Überwachungsvorrichtung (100) für eine Sensoreinrichtung (200) zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie, wobei die Sensoreinrichtung (200) wenigstens ein Brückenelement (40) aufweist, das mit einem Abstandssensor (46) zur Erfassung eines Abstands des Abstandssensors (46) von einer Endplatte (52) der Fahrzeugbatterie gekoppelt ist, wobei der Abstandssensor (46) einen Kontaktdorn (20) aufweist, welcher mittels eines mechanischen Kopplungselements (24) in einer Durchgangsöffnung (48) des wenigstens einen Brückenelements (40) angeordnet ist, wenigstens umfassend eine Messeinheit (10), welche mit wenigstens einem ersten Kontaktpunkt (1) an einem Kopfelement (22) des Kontaktdorns (20) und mit wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt (2, 3) an dem mechanischen Kopplungselement (24) mit dem wenigstens einen Brückenelement (40) elektrisch verbunden ist, wobei die Messeinheit (10) ausgebildet ist, elektrische Eigenschaften an dem oder in dem Kontaktdorn (20) des Abstandssensors (46) zu bestimmen.
  2. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messeinheit (10) zum Bestimmen einer elektrischen Impedanz und/oder zum Bestimmen eines elektrischen Widerstands ausgebildet ist.
  3. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messeinheit (10) zum Erzeugen von elektrischen Signalen als elektrische Pulse und/oder Rampen und/oder Rechteckanregungen ausgebildet ist.
  4. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinheit (10) ein Element zum Durchführen einer Impedanzspektroskopie aufweist.
  5. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Identifikationselement zur Identifizierung in den Abstandssensor (46) integriert ist, insbesondere wobei das Identifikationselement als ein Sicherheitselement zur Authentifizierung, insbesondere zur Kommunikation mit einem Batteriemanagementsystem, ausgebildet ist.
  6. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktdorn (20) mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten entlang seiner Längserstreckung (26) ausgebildet ist.
  7. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktdorn (20) eine erste leitende Verbindung (32) in einem im Inneren des Kontaktdorns (20) verlaufenden isolierenden Hohlkanal (30) aufweist, welche mit einer zweiten leitenden Verbindung (34) auf einer Außenseite des Kontaktdorns (20) über einen an einer Spitze (28) des Kontaktdorns (20) verlaufenden Kontakt (36) elektrisch leitend verbunden ist.
  8. Überwachungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinheit (10) in den Abstandssensor (46) integriert ist.
  9. Verfahren zum Überwachen einer Sensoreinrichtung (200) zum Erfassen eines Zelldickenwachstums einer Fahrzeugbatterie mit einer Überwachungsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens nach bestimmungsgemäßer Montage der Überwachungsvorrichtung (100) an einem Batteriekörper (50) der Fahrzeugbatterie, insbesondere in einer Fahrzeugproduktion, durch eine Messeinheit (10) elektrische Eigenschaften an dem oder in dem Kontaktdorn (20) des Abstandssensors (46) bestimmt und abgespeichert werden, wobei wenigstens vor einem Betrieb der Fahrzeugbatterie im Fahrzeug elektrische Eigenschaften des Abstandssensors (46) bestimmt und mit den gespeicherten Messwerten verglichen werden, wobei abhängig von einer Größe einer Abweichung der aktuell bestimmten Messwerte von den gespeicherten Messwerten eine Fehlerbehandlung eingeleitet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei durch die Messeinheit (10) eine elektrische Impedanz und/oder wenigstens ein elektrische Widerstand zwischen wenigstens einem ersten Kontaktpunkt (1) an einem Kopfelement (22) eines Kontaktdorns (20) des Abstandssensors (46) und wenigstens einem zweiten Kontaktpunkt (2, 3) an einem mechanischen Kopplungselement (24) mit wenigstens einem Brückenelement (40) bestimmt wird, insbesondere wobei Signale wenigstens in Form von Pulsen, und/oder Rampen, und/oder Rechteckanregungen auf die Kontaktpunkte (1, 2, 3) eingeprägt werden, insbesondere wobei die Messeinheit (10) eine Impedanzspektroskopie durchführt.
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