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Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung zur Erfassung eines Entgasungszustands einer Hochvoltbatterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen und Melden eines Entgasungszustands einer Hochvoltbatterie mit einer derartigen Detektionsvorrichtung.
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Detektionsvorrichtungen zur Erfassung eines Entgasungszustands einer Hochvoltbatterie, welcher nach einem thermischen Durchgehen der Batterie auftritt und zur Abfuhr von Gasen über einen oder mehrere Entgasungskanäle, beispielsweise durch Berstscheiben, Überdruckventileinrichtungen oder dergleichen als Austrittsventileinrichtungen führt, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die
DE 10 2014 213 920 A1 beschreibt ein Batteriesystem mit solchen Entgasungskanälen und einem Entgasungsventil. Dabei ist der Aufbau so, dass die beim Entgasen austretenden Gase in einer Speichereinrichtung mit variablem Volumen aufgefangen werden. In der genannten Schrift ist dabei beschrieben, dass verschiedene Sensoren eingesetzt werden können, um den Entgasungszustand zu erkennen, beispielsweise Drucksensoren, Rauchsensoren oder auch Temperatursensoren, die in geeigneter Position, beispielsweise in den Zellgehäusen oder dem Batteriegehäuse eingesetzt sind. Die
EP 2 289 720 B1 beschreibt in diesem Zusammenhang den Einsatz von Temperatursensoren in den Entgasungskanälen der Hochvoltbatterie. In der
DE 10 2018 215 708 A1 werden die Temperatursensoren zur fortlaufenden Überwachung der Batterie dahingegen in der Batterie selbst platziert.
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Eine weitere Einrichtung zur Erfassung eines Entgasungszustandes ist aus der
DE 10 2017 219 025 A1 bekannt. Dort werden optische Sensoren zur Detektion von Rauch bei der Entgasung verwendet. Eine Detektions- und Warnvorrichtung kann dabei als Teil eines Belüftungssystems auch außerhalb des eigentlichen Energiespeichers positioniert werden, wodurch sich der Aufbau von den bisher beschriebenen Aufbauten zusätzlich unterscheidet.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Detektionsvorrichtung zur Erfassung eines Entgasungszustands in einer Hochvoltbatterie anzugeben, welche insbesondere einfach und effizient aufgebaut ist und bei bestehenden Systemen nachgerüstet werden kann. Ferner besteht die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung darin, ein geeignetes Verfahren zum Erfassen und Melden eines Entgasungszustands mit einer solchen Detektionsvorrichtung anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Detektionsvorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Erfassen und Melden eines Entgasungszustands gemäß Anspruch 8 gelöst. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.
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Die Detektionsvorrichtung gemäß der Erfindung dient zur Erfassung eines Entgasungszustands einer Hochvoltbatterie in einem Fahrzeug. Die Hochvoltbatterie sollte dabei in der üblichen Bauart ausgebildet sein und Entgasungskanäle aufweisen, welche an ihren jeweiligen Austrittsstellen aus einem Batteriegehäuse jeweils eine Austrittsventileinrichtung aufweisen. Eine solche Austrittsventileinrichtung kann beispielsweise ein Überdruckventil sein. Alternativ dazu kann auch eine Berstscheibe zum Einsatz kommen oder, je nach lokalen Vorschriften ein Schmelzsicherungselement, bei welchem ein Kernelement über eine Art Lot in einer Durchgangsöffnung gesichert ist, wobei das Lot bei hohen Temperatur aufschmilzt und einem inneren vorliegenden Überdruck das Kernelement aus der Öffnung drückt und so den Durchgang freigibt. Eine weitere Alternative kann den Einsatz von Glasampullen mit einer leicht siedenden Flüssigkeit vorsehen, welche einen Stopfen in einer Durchgangsbohrung sichert. Bei einer entsprechenden Erwärmung siedet die Flüssigkeit in der Glasampulle, zerstört diese und gibt den Durchgang frei, indem sie nun den Stopfen nicht mehr sichern kann, sodass dieser aus der Durchgangsöffnung herausgedrückt wird. Der Einsatz derartiger Austrittsventileinrichtungen hängt dabei häufig von den lokalen gesetzlichen Vorgaben ab, sodass im Sinne der Erfindung alle denkbaren Varianten derartiger Austrittsventileinrichtungen unter diese Definition fallen.
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Die Austrittsstellen mit den jeweiligen Austrittsventileinrichtungen sind dabei durch Schutzkappen abgedeckt, um eine mechanische Beeinträchtigung der Austrittsventileinrichtungen von außen auszuschließen. Die Schutzkappen sind dabei so ausgebildet, dass diese die Austrittsöffnung typischerweise in der Fläche abdecken und seitlich entsprechende Öffnungen aufweisen, durch welche für den Fall, dass die Austrittsventileinrichtung angesprochen hat, die bei der Entgasung auftretenden Gase abströmen können. Diese Gase, welche typischerweise auf ein thermisches Durchgehen einer oder mehrerer der Batterieeinzelzellen zurückgehen, sind dabei typischerweise sehr heiß, sodass ihr Auftreten, wie es auch im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben worden ist, durch temperatursensitive Messgeber erfasst werden kann. Diese sind bezüglich einer Signalübertragung mit einer Detektions- und Warnvorrichtung verbunden, wobei diese Übertragung sowohl kabelgebunden als auch kabellos, beispielsweise über Funk, ausgebildet sein kann. Auch eine Kombination ist denkbar, beispielsweise der Einsatz einer Verkabelung im Bereich des Batteriegehäuses und eine Weitergabe von einem Zwischenmodul in dem Batteriegehäuse per Funk, beispielsweise per WLAN oder Bluetooth, an die Detektions- und Warnvorrichtung.
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Erfindungsgemäß sind nun die jeweiligen temperatursensitiven Messgeber in der jeweiligen Schutzkappe zur Abdeckung der Austrittsventileinrichtungen eingebracht. Damit sind die temperatursensitiven Messgeber also in dem Bereich angeordnet, in dem die heißen Gase nach dem Passieren der Austrittsventileinrichtungen abströmen. Dies stellt hinsichtlich der Detektion einerseits sicher, dass die Entgasung tatsächlich stattfindet, die Austrittsventileinrichtungen also angesprochen haben, beispielsweise weil eine entsprechende hohe Temperatur und/ein entsprechend hoher Überdruck in den Entgasungskanälen vorliegt, und das heiße Gas nun durch die Schutzkappen austritt. Andererseits bietet die Anordnung in den Schutzkappen die Möglichkeit, die Detektionsvorrichtung außerordentlich einfach und effizient nachzurüsten, da dies einfach durch eine Modifikation bestehender Schutzkappen oder den Austausch bestehender Schutzkappen durch Schutzkappen mit den entsprechenden temperatursensitiven Messgebern erfolgen kann. Insbesondere bei einer Datenübertragung per Funk lassen sich diese außerordentlich einfach und effizient gegen herkömmliche Schutzkappen austauschen und treten dann mit einer Detektions- und Warnvorrichtung in Verbindung, welche an beliebiger Stelle in oder an dem Fahrzeug platziert werden kann.
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Der Aufbau der Detektionsvorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich damit ideal zum Nachrüsten einer bestehenden Batterie, beispielsweise einer Batterie, welche außerhalb des ursprünglich vorgesehenen Einsatzzwecks eingesetzt wird, beispielsweise in einem Fahrzeug, welches entsprechend modifiziert wird, weil es beispielsweise als Wohnmobil, als Sonderfahrzeug oder dergleichen ausgebaut wird.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung kann es daher vorgesehen sein, dass diese durch ihre Ausgestaltung als Nachrüst-Vorrichtung gekennzeichnet ist.
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Die Detektions- und Warnvorrichtung kann dabei vorzugsweise in einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs positioniert werden und steht direkt oder mittelbar mit den entsprechenden Messgebern oder einem deren Signale zusammenfassenden Zwischenmodul in Verbindung, vorzugsweise über in dem Fahrzeug ohnehin eingesetzte Funktechnologien wie beispielsweise ein fahrzeuginternes WLAN. Besonders bevorzugt kann es dabei vorgesehen sein, dass die Detektions- und Warnvorrichtung unter einem Frontsitz des Fahrzeugs positioniert wird, da hier typischerweise ein entsprechender Bauraum verbleibt, welcher insbesondere auch bei Nachrüstungen einfach und effizient zur Verfügung steht, ohne dass zusätzliche Bauräume geschaffen und/oder Verkleidungsteile ausgebaut werden müssen oder Ähnliches.
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Die temperatursensitiven Messgeber können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Ausgestaltung als Temperatursensoren ausgebildet sein. Solche Temperatursensoren wie beispielsweise PTC- oder NTC-Widerstände sind einfach, effizient und kostengünstig am Markt verfügbar. Über sie lässt sich eine auftretende Temperatur sowohl in ihrem Absolutwert als auch in ihrem zeitlichen Verlauf ideal erfassen.
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Gemäß einer weiteren Alternative der Detektionsvorrichtung gemäß der Erfindung können die temperatursensitiven Messgeber auch als Schmelzdrähte bzw. Reiß-Drähte ausgebildet sein. Solche Schmelzdrähte oder Reißdrähte können im Bereich der Schutzkappe angeordnet werden. Kommt es zu einer Erhöhung der Temperatur durch die austretenden heißen Gase sowie einer entsprechend starken Strömung der heißen austretenden Gase entlang der Schmelz- bzw. Reißdrähte, dann werden diese entsprechend zerstört, beispielsweise durch die mechanische Einwirkung der Strömung und/oder deren Temperatur. Ein zuvor erfassbarer Widerstand des Drahts steigt dann mit dem Abreißen des Drahts ins Unendliche, wodurch sein Ansprechen erfasst und damit letztlich der Entgasungszustand detektiert werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Detektionsvorrichtung gemäß der Erfindung sieht einen weiteren Temperatursensor vor, welcher in nicht wärmeleitendem Kontakt zu den Entgasungskanälen, den Austrittsventileinrichtungen und den Schutzkappen ausgebildet ist. Ein solcher weiterer Temperatursensor eignet sich beispielsweise, um die grundlegende im Bereich der Hochvoltbatterie herrschende Temperatur zu erfassen und kann als Referenzsensor dienen, um beispielsweise einen Temperaturanstieg aufgrund des Abstellens des Fahrzeugs über sehr heißem lange von der Sonne beschienenen Asphalt entsprechend zu detektieren und auszuschließen, dass, insbesondere für den Fall des Einsatzes von Temperatursensoren als temperatursensitive Messgeber eine fehlerhafte Erfassung erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen und Melden eines Entgasungszustands einer Hochvoltbatterie in einem Fahrzeug mit einer Detektionsvorrichtung in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen sieht es nun vor, dass im Falle des Ansprechens einer oder mehrerer der temperatursensitiven Messgeber ein Entgasungszustand erkannt und eine Warnmeldung ausgelöst wird, wobei dies im Falle der Ausbildung der temperatursensitiven Messgeber nach Anspruch 5 in der Art erfolgt, dass ein Ansprechen erkannt wird, wenn ein Temperaturwert und/oder ein erfasster Temperaturgradient oberhalb eines Vorgabewerts liegen. Beim Einsatz von Temperatursensoren werden diese also hinsichtlich des absoluten Temperaturwerts und vorzugsweise alternativ oder insbesondere ergänzend hierzu hinsichtlich eines Temperaturgradienten erfasst. Liegt nun einer oder vorzugsweise beide der erfassten Werte oberhalb eines Vorgabewerts, wird von einem thermischen Ereignis und einem Entgasungszustand ausgegangen. Für den alternativen Fall des Einsatzes von temperatursensitiven Messgebern mit einem Schmelz- oder Reißdraht wird immer dann von einem Entgasungszustand bzw. einem Ansprechen des thermosensitiven Messgebers ausgegangen, wenn der Draht entsprechend durchtrennt ist, also kein Widerstand bzw. Stromfluss durch ihn mehr erfasst werden kann.
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Vorzugsweise ist es dabei so, dass der Entgasungszustand erst dann erkannt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl oder insbesondere alle der temperatursensitiven Messgeber angesprochen haben.
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Für die besonders bevorzugte Weiterbildung der Detektionsvorrichtung mit dem weiteren Temperatursensor kann es verfahrensgemäß in Ergänzung zu dem bisherigen Verfahren vorgesehen sein, dass das Ansprechen wenigstens eines temperatursensitiven Messgebers durch den Messwert des weiteren Temperatursensors in der Art verifiziert wird, dass das Ansprechen nur dann als korrekt angenommen wird, wenn ein von dem weiteren Temperatursensor erfasster Temperaturwert und/oder ein erfasster Temperaturgradient unterhalb eines Vorgabewerts liegen. Erst dann ist sichergestellt, dass das Ansprechen nicht auf einer allgemeinen Erwärmung des Systems basiert, welche keinen Entgasungszustand darstellt und beispielsweise durch den oben bereits angesprochenen Fall des Abstellens des Fahrzeugs auf stark erhitztem Asphalt ausgelöst worden ist, welcher den Bereich der Hochvoltbatterie dementsprechend stark erwärmt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Detektionsvorrichtung gemäß der Erfindung sowie des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine dreidimensionale Ansicht einer Hochvoltbatterie mit Schutzkappen über Austrittsventileinrichtungen in einer Explosionsdarstellung;
- 2 eine der Schutzkappen gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung und zum Einsatz mit einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie, bei welcher eine Detektionsvorrichtung gemäß der Erfindung nachgerüstet ist.
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In der Darstellung der 1 ist eine Hochvoltbatterie 1 in Form eines mit 2 bezeichneten prismatischen Gehäuses zu erkennen, in welchem eine oder mehrere Batteriemodule angeordnet sind. In der Darstellung der 1 rechts sind zwei elektrische Anschlusspole 3 sowie ein Batteriemanagementmodul 4 schematisch angedeutet. Innerhalb des Gehäuses 2 der Hochvoltbatterie 1 befinden sich hier nun explizit nicht erkennbare, aber dem Fachmann allgemein bekannte Entgasungskanäle, welche im Bereich von Austrittsstellen 5 aus dem Batteriegehäuse 2 enden. An diesen Austrittsstellen 5 sind Austrittsventileinrichtungen 6 angedeutet. In einer Explosionsdarstellung oberhalb sind Schutzkappen 7 dargestellt, welche zum Schutz der Austrittsventileinrichtungen 6 über diesen angebracht und mit dem Batteriegehäuse 2 entsprechend verbunden werden.
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In der Darstellung der 2 ist in einem Ausschnitt eine der Schutzkappen 7 auf dem Batteriegehäuse 2 nochmals zu erkennen. Sie ist über mehrere Verbindungselemente 8 wie beispielsweise Schrauben oder Nieten mit dem Batteriegehäuse 2 verbunden und deckt die Austrittsventileinrichtung 6 entsprechend ab. Die Schutzkappe 7 selbst weist nun eine mit 9 bezeichnete Bohrung, in welche ein temperatursensitiver Messgeber, welcher hier als Temperatursensor 10 angedeutet ist, eingebracht werden kann. Er kann beispielsweise in ein Gewinde der Bohrung 9 eingeschraubt oder über eine Mutter vor der Montage der Schutzkappe 7 in der Bohrung 9 fixiert werden. Er ist entweder über ein Signalkabel oder eine Signalübertragung per Funk mit einer in 3 erkennbaren Detektions- und Warnvorrichtung 11 bezüglich einer Signalübertragung verbunden. Durch eine einfache Modifikation der Schutzkappen 7 oder einen Austausch der Schutzkappen 7 durch neue Schutzkappen 7 mit dem Temperatursensor 10 lässt sich die Temperaturüberwachung der Entgasung so sehr einfach auch bei bestehenden Hochvoltbatterien 1 nachrüsten. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Funkübertragung der Signale von den einzelnen Temperatursensoren 10 direkt oder mittelbar über eine mit diesen verkabelte Kommunikationsschnittstelle, welche beispielsweise in das Batteriemanagementmodul 4 integriert oder anderweitig auf dem Gehäuse 2 der Hochvoltbatterie 1 platziert werden kann, erfolgt.
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In der Darstellung der 3 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 12 dargestellt, welches beispielsweise vom OEM verkauft wird, um von einem Drittanbieter als Einsatzfahrzeug, Campingmobil oder dergleichen ausgestattet zu werden. Insbesondere für solche Fahrzeuge, bei denen die Hochvoltbatterie 1, wie hier dargestellt nachgerüstet oder durch eine andere oder zusätzliche Hochvoltbatterie 1 ersetzt bzw. ergänzt wird, spielt die Nachrüstbarkeit der Temperaturüberwachung zur Feststellung eines Entgasungszustands eine entscheidende Rolle. In der Darstellung der 3 ist es so, dass hier die entsprechenden Schutzkappen 7 mit den Temperatursensoren 10 zum Einsatz kommen, welche direkt über eine angedeutete Funkverbindungen 13 mit der Detektions- und Warnvorrichtung 11 in Verbindung stehen. Diese kann nun ebenfalls einfach nachgerüstet werden und kann in dem Fahrgastraum 14 des Fahrzeugs 1 angebracht werden, beispielsweise in der hier dargestellten Art und Weise unter einem der mit 15 bezeichneten Vordersitze in dem Fahrgastraum 14.
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Ein weiterer Temperatursensor 16 kann nun ebenfalls mit der Detektions- und Warnvorrichtung 11 in Verbindung stehen, um im oben beschriebenen Sinn die Messwerte der Temperatursensoren 10 im Bereich der Schutzkappen 7 als ein tatsächliches Ansprechen zu verifizieren und damit sicher und zuverlässig den Entgasungszustand der Hochvoltbatterie 1 zu erkennen. Tritt dieser Entgasungszustand auf, kann innerhalb des Fahrzeugs 12, und hier insbesondere im Fahrgastraum 14 unmittelbar über die Detektions- und Warnvorrichtung eine Warnung erfolgen, sodass auch hinsichtlich der Warnung keine unmittelbare Einbindung der sehr leicht nachrüstbaren Detektionsvorrichtung in die bestehende Fahrzeugelektronik notwendig wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014213920 A1 [0002]
- EP 2289720 B1 [0002]
- DE 102018215708 A1 [0002]
- DE 102017219025 A1 [0003]
