-
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Vermessen einer Ausdehnung mindestens einer Batteriezelle, wobei die Messanordnung eine Batteriezelleneinheit aufweist, die die mindestens eine Batteriezelle umfasst, wobei die mindestens eine Batteriezelle derart beschaffen ist, dass diese sich in einer ersten Richtung alterungsbedingt und/oder betriebsbedingt in Bezug auf einen Referenzzustand stärker ausdehnt als in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung senkrecht ist. Dabei weist die Messanordnung eine Lichtquelle auf, die dazu ausgelegt ist, zum Vermessen der Ausdehnung ein Lichtstrahlenbündel bereitzustellen, wobei die Messanordnung eine Lichtdetektionseinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, von der Lichtquelle bereitgestelltes Licht zu detektieren, wobei die Lichtquelle und die Lichtdetektionseinheit derart relativ zueinander und relativ zur mindestens einen Batteriezelle positioniert sind, dass mittels der Lichtdetektionseinheit zumindest wenn sich die mindestens eine Batteriezelle im Referenzzustand befindet und die Lichtquelle das Lichtstrahlenbündel bereitstellt, zumindest ein Teil des Lichtstrahlenbündels detektierbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Vermessen einer Ausdehnung mindestens einer Batteriezelle.
-
Aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezellen, insbesondere zur Verwendung in Hochvolt-Batterien für Kraftfahrzeuge, dehnen sich im Laufe ihrer Lebensdauer alterungsbedingt und/oder auch betriebsbedingt, insbesondere abhängig von ihrem Ladezustand, aus. Dabei schwellen Batteriezellen typischerweise im Laufe ihrer Lebensdauer an. Dieses Anschwellen ist von einem zyklischen An- und Abschwellen beim Laden und Entladen der Batteriezellen überlagert. Je nach Geometrie der Batteriezellen schwellen diese dabei in einer ersten Richtung stärker an als beispielsweise in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung senkrecht ist. Handelt es sich bei den Batteriezellen zum Beispiel um Rundzellen, so schwellen diese typischerweise senkrecht zu ihrer axialen Richtung stärker an als in axialer Richtung. Handelt es sich bei den Batteriezellen zum Beispiel um Pouchzellen oder prismatische Batteriezellen, so dehnen sich diese typischerweise in Richtung ihrer Dicke, die kleiner ist als ihre Länge und ihre Breite, stärker aus als zum Beispiel senkrecht dazu. Üblicherweise sind prismatische Zellen oder Pouchzellen in Zellstapeln angeordnet, denen eine Stapelrichtung zugeordnet ist, die zur Richtung der Dicke der jeweiligen Batteriezellen korrespondiert. Die Zellen dehnen sich also in Stapelrichtung typischerweise stärker aus als senkrecht dazu.
-
Die
DE 10 2020 003 309 A1 beschreibt ein Zellmodul für einen elektrischen Energiespeicher mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind und einen Zellstapel bilden. Der Zellstapel ist zwischen zwei Endplatten des Zellmoduls angeordnet. Zudem umfasst die Anordnung eine Detektionseinrichtung, um eine Veränderung einer Länge des Zellstapels in der Stapelrichtung zu detektieren. Diese Detektionseinrichtung umfasst hierzu eine Lichtquelle und einen Lichtsensor, die im Zellmodul angeordnet sind. Bei einer ersten Länge des Zellstapels ist dabei das von der Lichtquelle abgegebene Licht mittels des Lichtsensors erfassbar und bei einer zweiten Länge des Zellstapels entsprechend nicht. Das Licht der Lichtquelle kann zum Beispiel durch ein Röhrchen im Bereich einer der Endplatten geleitet werden. Wird das Röhrchen gebogen, was zum Beispiel bei einer entsprechend großen Ausdehnung Zellstapels der Fall ist, so gelangt das Licht nicht mehr an das andere Ende des Röhrchens, an welchem sich der Lichtsensor befindet.
-
Ein weiteres Problem, welches sich im Zusammenhang mit Batteriezellen, insbesondere für Hochvolt-Batterien von Kraftfahrzeugen, stellt, ist das möglichst frühzeitige Erkennen eines thermischen Durchgehens einer solchen Batteriezelle. Um dies zu ermöglichen, sind typischerweise vielzählige verschiedene Sensoren in einer solchen Hochvolt-Batterie verbaut, zum Beispiel zur Erfassung von Spannungen, Temperaturen und Stromstärken. Teilweise kommen auch Sensoren zur Ermittlung einer Gaszusammensetzung innerhalb der Batterie zum Einsatz. Bei einer Veränderung der Gaszusammensetzung, zum Beispiel infolge eines Ausgasens einer Batteriezelle, ist diese bereits thermisch durchgegangen. Damit lässt sich ein thermisches Durchgehen einer solchen Batteriezelle also erst relativ spät erkennen. Auch die anderen Messgrößen, wie Spannung, Temperatur und Stromstärke haben den Nachteil, dass diese teilweise nur schwer interpretierbar sind und sich entsprechend anhand dieser Daten nicht immer eindeutig oder relativ spät auf ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle schließen lässt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die es erlauben, ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle möglichst frühzeitig zu erkennen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
-
Eine erfindungsgemäße Messanordnung zum Vermessen einer Ausdehnung mindestens einer Batteriezelle umfasst eine Batteriezelleneinheit, die die mindestens eine Batteriezelle umfasst, die derart beschaffen ist, dass diese sich in einer ersten Richtung alterungsbedingt und/oder betriebsbedingt in Bezug auf einen Referenzzustand stärker ausdehnt als in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung senkrecht ist. Weiterhin umfasst die Messanordnung eine Lichtquelle, die dazu ausgelegt ist, zum Vermessen der Ausdehnung ein Lichtstrahlenbündel bereitzustellen, wobei die Messanordnung eine Lichtdetektionseinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, von der Lichtquelle bereitgestelltes Licht zu detektieren, wobei die Lichtquelle und die Lichtdetektionseinheit derart relativ zueinander und relativ zur mindestens einen Batteriezelle positioniert sind, dass mittels der Lichtdetektionseinheit zumindest wenn sich die mindestens eine Batteriezelle im Referenzzustand befindet und die Lichtquelle das Lichtstrahlenbündel bereitstellt, zumindest ein Teil des Lichtstrahlenbündels detektierbar ist. Dabei sind die Lichtquelle und die Lichtdetektionseinheit derart in Bezug auf die mindestens eine Batteriezelle positioniert, dass mittels der Messanordnung eine Ausdehnung der Batteriezelle bezüglich der zweiten Richtung messbar ist.
-
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich eine Batteriezelle, wenn diese thermisch durchgeht beziehungsweise beginnt, thermisch durchzugehen, räumlich ausdehnt, insbesondere bevor aus dieser Batteriezelle Gase austreten. Außerdem beruht die Erfindung dabei auf der Erkenntnis, dass sich eine solche Batteriezelle dabei nicht nur in ihrer Hauptausdehnungsrichtung, nämlich nicht nur in der ersten Richtung, ausdehnt, sondern auch in einer zweiten Richtung senkrecht dazu, wenngleich auch deutlich geringfügiger. Dies erlaubt es nun vorteilhafterweise, die Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle in der zweiten Richtung zu messen und anhand der detektierten Ausdehnung in der zweiten Richtung sehr frühzeitig ein thermisches Durchgehen einer solchen Batteriezelle zu detektieren. Die Messung der Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle in der zweiten Richtung hat zudem den großen Vorteil, dass sich hierdurch aus ein Ausdehnen einer einzelnen Batteriezelle sehr zuverlässig erfassen lässt, selbst wenn sich diese Batteriezelle in einem Verbund mit mehreren Batteriezellen befindet. Befindet sich beispielsweise eine solche Batteriezelle in einem Zellstapel mit mehreren in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, so lässt sich eine Ausdehnung einer solchen einzelnen Batteriezelle in der ersten Richtung nur sehr schwer oder gar nicht detektieren, da sich diese Ausdehnung dieser einzelnen Batteriezelle im Zellverbund in der ersten Richtung nicht sonderlich signifikant bemerkbar macht. In der zweiten Richtung dagegen, das heißt senkrecht zur Stapelrichtung, lässt sich diese übermäßig starke Ausdehnung der einzelnen Batteriezelle im Vergleich zu den anderen Batteriezellen deutlich einfach erfassen, da sich hierbei die Ausdehnung im Falle eines beginnenden thermischen Durchgehens der Zelle deutlich stärker bemerkbar macht im Vergleich zu den Ausdehnungen der anderen Batteriezellen. Daher ist es also besonders vorteilhaft, die Messanordnung so auszugestalten, dass mittels dieser die Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle in der oben definierten zweiten Richtung messbar ist. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise sehr frühzeitig und ggf. in Kombination mit einer oder mehreren weiteren Messgrößen wie Temperatur und/oder Strom und/oder Spannung der Batteriezelle auch deutlichen zuverlässiger ein thermisches Durchgehen einer solchen Batteriezelle erfassen. Dies ermöglicht es wiederum, besonders rechtzeitig eventuelle Gegenmaßnahmen einzuleiten, zum Beispiel eine Kühlung der mindestens einen Batteriezelle zu aktivieren.
-
Die Batteriezelleneinheit kann im Allgemeinen nur eine einzige Batteriezelle umfassen, umfasst jedoch vorzugsweise mehrere Batteriezellen. Beispielsweise kann die Batteriezelleneinheit, wie später näher erläutert, einen Zellstapel mit mehreren Batteriezellen oder im Allgemeinen ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen darstellen. Die Messanordnung kann dabei auch mehrere Batteriezelleneinheiten aufweisen. Die Batteriezelleneinheit kann darüber hinaus Teil einer Kraftfahrzeugbatterie sein, insbesondere einer Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug. Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Zudem ist die Erfindung und ihre Ausführungsformen auch für verschiedene Geometrien einer solchen Batteriezelle anwendbar. Die mindestens eine Batteriezelle kann also beispielsweise als prismatische Batteriezelle, als Pouchzelle oder Rundzelle ausgebildet sein. Bevorzugt ist die mindestens eine Batteriezelle als eine prismatische Batteriezelle oder als eine Rundzelle ausgebildet. Gerade in diesem Fall lässt sich eine Ausdehnung der Batteriezelle senkrecht zu ihrer Hauptausdehnungsrichtung, die als die erste Richtung definiert sein kann, besonders zuverlässig im Falle eines thermischen Durchgehens einer solchen Batteriezelle detektieren.
-
Das Lichtstrahlenbündel kann auch als Lichtbündel oder Strahlenbündel oder als Lichtstrahl oder einfach nur als Licht bezeichnet werden. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichts ist dabei grundsätzlich beliebig und kann im Sichtbaren Wellenlängenbereich liegen oder auch im unsichtbaren Bereich, z.B. in Infrarotbereich. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ausgesandten Licht um monochromatisches Licht, d.h. Licht in einem sehr engen Wellenlängenbereich. Die Lichtquelle ist bevorzugt als eine Laserlichtquelle bereitgestellt. Dies ermöglicht eine besonders präzise Vermessung der Ausdehnung. Die Laserlichtquelle kann wiederum als ein Laser ausgebildet sein und/oder als eine Laserdiode. Denkbar ist dabei auch die Verwendung einer oder mehrerer anderer Lichtquellen, zum Beispiel LEDs, insbesondere mit einer Kollimationsoptik oder ähnlichem. Das Lichtstrahlenbündel wird bevorzugt als ein kollimiertes Lichtstrahlenbündel bereitgestellt. Dies bedeutet, dass die Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels im Wesentlichen zueinander parallel verlaufen. Eine unerwünschte Strahlausweitung mit zunehmenden Abstand zur Lichtquelle kann damit im Wesentlichen vermieden werden. Dies lässt sich wiederum auf einfache Weise durch die Verwendung einer Laserlichtquelle als Lichtquelle bereitstellen. Denkbar wäre es aber auch, z.B. für ein effizientes Vermessen einer Zellanordnung mit mehreren Zellen, insbesondere Rundzellen, mit möglichst wenigen Lichtquellen, dass das Lichtstrahlenbündel als z.B. in einer Ebene aufgefächertes Lichtstrahlenbündel bereitgestellt wird, wobei diese Ebene im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Richtung ist. Dadurch lässt sich nachfolgend näher beschriebenes Messverfahren auch für eine räumlich stark verteilte Anordnung vielzähliger Zellen anwenden. Für eine Überwachung eines Batteriemoduls mit mehreren in einer Reihe angeordneten Zellen ist eine solche Strahlauffächerung jedoch nicht nötig. In einer Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie, mit mehreren solchen Batteriemodulen kann im Übrigen jeweils ein Paar bestehend aus einer Lichtquelle und einer Lichtdetektionseinheit vorgesehen sein. Ein solches Paar kann auch als Ausdehnungssensor bezeichnet werden.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass als Lichtstrahlenbündel ein Lichtstrahlenbündel bereitgestellt wird, welches in einem Querschnitt zur Ausbreitungsrichtung einen maximalen Durchmesser von zum Beispiel 1 cm aufweist. Der minimale Durchmesser beträgt bevorzugt mindestens 1 Millimeter oder mehrere Millimeter. Dies ermöglicht nämlich die später näher erläuterte vorteilhafte Messmethode, gemäß welcher die Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle dadurch bestimmt werden kann, indem ermittelt wird, um wie viel die Batteriezelle in der zweiten Richtung in das bereitgestellte Lichtstrahlenbündel hineinragt. Je mehr sich die Batteriezelle also in der zweiten Richtung ausdehnt, umso größer ist der Anteil des Lichtstrahlenbündels, der von der Batteriezelle verdeckt wird.
-
Es ist also sehr vorteilhaft, wenn das Lichtstrahlenbündel über mehrere Mikrometer hinweg und vorzugsweise über mehrere Millimeter hinweg zumindest in der zweiten Richtung ausgedehnt ist.
-
Bei der Lichtdetektionseinheit kann es sich um einen oder mehrere Lichtsensoren handeln beziehungsweise die Lichtdetektionseinheit kann eine oder mehrere Lichtsensoren, z.B. Photodioden oder einen CCD-Sensor, umfassen. Weiterhin sind die Lichtdetektionseinheit und die Lichtquelle an einem Bauteil angeordnet, welches von der mindestens einen Batteriezelle und insbesondere auch von der Batteriezelleneinheit verschieden ist. Das Bauteil kann zum Beispiel ein Gehäusebauteil eines Batteriegehäuses darstellen, in welchem die Batteriezelleneinheit aufgenommen ist. Auch dieses Batteriegehäuse kann Teil der Messanordnung sein. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, dass sich eine Bewegung der mindestens einen Batteriezelle aufgrund ihres Ausdehnens sich nicht auf die Position der Lichtdetektionseinheit und/oder der Lichtquelle auswirkt. Mit anderen Worten wird hierdurch erst eine Relativbewegung zwischen Lichtquelle und Lichtdetektionseinheit einerseits sowie der Batteriezelle aufgrund ihres Ausdehnens andererseits ermöglicht.
-
Wie eingangs bereits beschrieben ist es bevorzugt, dass, wenn es sich bei der Batteriezelle um eine prismatische Batteriezelle handelt, die erste Richtung parallel zu einer Richtung einer Dicke der Batteriezelle orientiert ist, wobei die Dicke der Batteriezelle die geringste Abmessung der Batteriezelle darstellt, das heißt, kleiner als eine Länge und eine Breite der Batteriezelle ist, die jeweils zueinander senkrecht und senkrecht zur Dicke der Batteriezelle ausgerichtet sind. Handelt es sich bei der Batteriezelle um eine Rundzelle, so stellt die erste Richtung eine Richtung dar, die senkrecht zu einer axialen Richtung der Rundzelle orientiert ist. Entsprechend stellt die zweite Richtung in diesem Fall eine axiale Richtung dieser Rundzelle dar.
-
Bei dem Referenzzustand der mindestens einen Batteriezelle kann es sich zum Beispiel um einen Ausgangszustand, zum Beispiel zu Beginn einer Lebensdauer der Batteriezelle handeln, oder im Allgemeinen um einen Zustand der Batteriezelle, in dem diese eine Ausdehnung aufweist, die sich in einem definierten Normbereich befindet. Wie später näher erläutert, lässt sich der Referenzzustand im Laufe der Lebensdauer der Batteriezelle optional auch immer wieder neu kalibrieren. Der Referenzzustand definiert also im Allgemeinen einen Zustand der Batteriezelle, in welchem diese nicht thermisch durchgeht und auch ein thermisches Durchgehen dieser Batteriezelle nicht unmittelbar bevorsteht oder sich die Batteriezelle nicht in einem Anfangsstadium eines solchen thermischen Durchgehens befindet. Das Vermessen der Ausdehnung gegenüber diesem Referenzzustand eignet sich daher besonders gut, um ein thermisches Durchgehen beziehungsweise ein beginnendes thermisches Durchgehen der Batteriezelle zu detektieren.
-
Entsprechend stellt es eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messanordnung dazu ausgelegt ist, ein thermisches Durchgehen der mindestens einen Batteriezelle in Abhängigkeit von einer Detektion von einer vorbestimmt starken Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle in der zweiten Richtung zu detektieren und insbesondere in Abhängigkeit von der Detektion des thermischen Durchgehens eine bestimmte Maßnahme auszulösen. Beispielsweise kann die Messanordnung dazu ausgelegt sein, zu überprüfen, ob die erfasste Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle in der zweiten Richtung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und ist dies der Fall, so kann ein thermisches Durchgehen oder ein beginnendes thermisches Durchgehen der mindestens einen Batteriezelle als detektiert gelten. Das Detektieren des Überschreitens dieses vorgegebenen Grenzwerts kann gleichzeitig auch das Einleiten einer bestimmten Maßnahme auslösen. Gegebenenfalls können zur Detektion des thermischen Durchgehens noch andere Messgrößen berücksichtigt werden, z.B. die Temperatur der Zelle, der Zellstrom und/oder die Zellspannung oder Ähnliches.
-
Eine solche bestimmte Maßnahme kann zum Beispiel das Aktivieren einer Kühlung zur Kühlung der mindestens einen Batteriezelle und/oder der Batteriezelleneinheit oder einer gesamten Hochvolt-Batterie, welche die Batteriezelleneinheit umfasst, sein. Bei bereits aktivierter Kühlung kann die Maßnahme auch darin bestehen, die Kühlleistung zu steigern oder zu maximieren, das heißt auf einen maximal möglichen Wert einzustellen. Eine weitere Möglichkeit beziehungsweise Maßnahme kann auch darin bestehen, im Falle eines Stromflusses durch die mindestens eine Batteriezelle diesen zu unterbinden, zum Beispiel einen aktuellen Ladevorgang zum Laden der mindestens einen Batteriezelle zu unterbrechen. Im Falle eines aktuellen Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs, in welchem die erfindungsgemäße Messanordnung oder eine ihrer Ausführungsformen Anwendung findet, kann als Maßnahme die Antriebsleistung begrenzt werden und/oder der Fahrer des Fahrzeugs aufgefordert werden, das Fahrzeug zum Stillstand zu bringen oder das Fahrzeug kann selbsttätig anhalten, zum Beispiel in einem autonomen oder semiautonomen Fahrbetrieb. Als Maßnahme ist auch der Eintrag in einen Fehlerspeicher denkbar und/oder das Ausgeben eines entsprechenden Hinweises und/oder einer Warnung an den Fahrer. Auch die Einleitung zahlreicher anderer oder zusätzlicher Maßnahmen ist denkbar. Damit ist es also vorteilhafterweise möglich, ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle möglichst frühzeitig zu detektieren und entsprechend auch besonders frühzeitig bestimmte Maßnahmen einzuleiten. Dadurch kann ein Thermal Runaway hinausgezögert oder sogar verhindert werden.
-
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Batteriezelle eine erste Seite auf, die die mindestens eine Batteriezelle bezüglich der zweiten Richtung begrenzt, wobei die Lichtquelle derart eingerichtet und positioniert ist, dass das durch sie bereitgestellte Lichtstrahlenbündel senkrecht zur zweiten Richtung orientiert ist und dass das durch sie bereitgestellte Lichtstrahlenbündel zumindest zum Teil bezüglich der zweiten Richtung oberhalb der ersten Seite der mindestens einen Batteriezelle verläuft, wenn sich die mindestens eine Batteriezelle im Referenzzustand befindet, so dass sich die erste Batteriezelle im Referenzzustand nicht im Lichtstrahlenbündel oder vorzugsweise nur in einem Teil des Lichtstrahlenbündels bezogen auf die zweite Richtung bzw. nur in einem Teil des optischen Pfads des Lichtstrahlenbündels befindet. Im Referenzzustand der mindestens einen Batteriezelle überstreicht das Lichtstrahlenbündel sozusagen die erste Seite der Batteriezelle. Vorzugsweise taucht die Batteriezelle mit ihrer ersten Seite in der zweiten Richtung zum Teil in das Lichtstrahlenbündel ein, ohne dieses vollständig zu verdecken. Beispielsweise kann die Messanordnung initial so kalibriert sein, dass die Batteriezelle im Referenzzustand 10 Prozent der Querschnittsfläche des Lichtstrahlenbündels verdeckt. 90 Prozent des Lichtstrahlenbündels können entsprechend, insbesondere bis auf unvermeidbare zusätzliche Lichtverluste, von der Lichtdetektionseinheit detektiert werden. Dehnt sich die Batteriezelle aus, so verdeckt diese entsprechend einen größeren Anteil des Lichtstrahlenbündels, zum Beispiel 20 Prozent oder auch 30 Prozent. Dies kann entsprechend von der Lichtdetektionseinheit detektiert werden.
-
Dadurch kann vorteilhafterweise die Ausdehnung der Batteriezelle in der zweiten Richtung detektiert werden, uns insbesondere auch das Ausmaß der Ausdehnung.
-
Das teilweise Eintauchen der Zelle im Referenzzustand in das Lichtstrahlenbündel hat den Vorteil, dass hierdurch im Laufe der Zeit auch eine Neukalibrierung des Referenzzustands möglich ist.
-
Die Richtungsangabe „oberhalb“ bezieht sich hierbei auf die zweite Richtung, das heißt, ist grundsätzlich unabhängig von der Orientierung bezüglich einer Schwerkraft. Die erste Seite der Batteriezelle kann also zum Beispiel eine Oberseite oder eine Unterseite oder eine linke Seite oder eine rechte Seite der Batteriezelle darstellen, je nach Orientierung der zweiten Richtung.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtquelle derart eingerichtet und positioniert, dass die mindestens eine Batteriezelle im Referenzzustand einen vorbestimmten ersten Teil, insbesondere einen vorbestimmten kalibrierbaren ersten Teil, des von der Lichtquelle bereitgestellten Lichtstrahlenbündels verdeckt und einen restlichen zweiten Teil des Lichtstrahlenbündels nicht verdeckt, wobei die Lichtdetektionseinheit dazu ausgelegt ist, den nicht verdeckten zweiten Teil des Lichtstrahlenbündels zu erfassen, und wobei die Messanordnung eine Auswerteeinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, eine Veränderung einer Größe des nicht verdeckten zweiten Teils des Lichtstrahlenbündels, insbesondere gegenüber dem Referenzzustand zu erfassen und in Abhängigkeit von der Veränderung die Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle zu ermitteln. Wie oben bereits beschrieben, kann der nicht verdeckte zweite Teil zum Beispiel 90 Prozent des Lichtstrahlenbündels im Referenzzustand der Batteriezelle sein. Detektiert die Lichtdetektionseinheit beispielsweise in einer bestimmten Situation nur noch 80 Prozent oder 70 Prozent oder einen bestimmten Prozentsatz des Lichtstrahlenbündels unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts, so kann ein beginnendes thermisches Durchgehen der Batteriezelle als detektiert gelten oder dies zumindest als eine von mehreren möglichen Voraussetzungen oder Hinweisen auf ein mögliches thermisches Durchgehen der Batteriezelle gewertet werden. Auf diese Weise lässt sich also besonders einfach eine Ausdehnung der Batteriezelle in der zweiten Richtung ermitteln. Zudem lässt sich hierbei die Ausdehnung der Batteriezelle besonders einfach und zuverlässig bestimmen. Besonders vorteilhaft ist es zudem, dass sich diese Messmethode auch auf ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen einfach übertragen lässt. Mit anderen Worten sind zur Überwachung mehrerer Zellen nicht notwendigerweise auch mehrere Lichtquellen und Lichtdetektionseinheiten erforderlich. Beispielsweise kann die Lichtquelle so eingerichtet sein, dass das Lichtstrahlenbündel über ein Batteriemodul mit mehreren Zellen hinweg strahlbar ist, so dass sich eine Ausdehnung einer jeweiligen Batteriezelle mittels des gleichen Lichtstrahlenbündels detektieren lässt. Mit anderen Worten kann detektiert werden, sobald eine der Batteriezellen mehr in das Lichtstrahlenbündel hineinragt als für den Referenzzustand der Batteriezellen definiert. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige und effiziente Ausgestaltung der Messanordnung. Weist die Kraftfahrzeugbatterie zum Beispiel mehrere Batteriemodule auf, dann kann zum Beispiel für je ein solches Batteriemodul ein Lichtquellen-Lichtdetektionseinrichtungs-Paar bereitgestellt sein. Diese mehreren Lichtquellen und Detektionseinrichtungen können sich zum Beispiel auch eine gemeinsame Auswerteeinheit teilen. Alternativ kann aber auch für jede Lichtdetektionseinheit auch eine zugeordnete Auswerteeinheit vorgesehen sein. Diese kann insbesondere auch in die Lichtdetektionseinheit integriert sein.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Lichtdetektionseinheit eine Detektionsfläche auf und ist dazu ausgelegt, eine Gesamtlichtmenge von auf die Detektionsfläche auftreffenden Lichts, insbesondere des von der Lichtquelle bereitgestellten Lichts, zu messen, und/oder die Lichtdetektionseinheit weist eine Detektionsfläche auf, die mehrere Teilbereich umfasst, wobei die Lichtdetektionseinheit dazu ausgelegt ist zu erfassen, welcher der Teilbereiche von Licht, insbesondere von durch die Lichtquelle bereitgestellten Licht, beleuchtet sind.
-
Im einfachsten Fall kann die Lichtdetektionseinheit also so ausgebildet sein, dass diese zum Beispiel lediglich die Gesamtlichtmenge von auf die Detektionsfläche auftreffenden Lichts erfasst, ohne notwendigerweise mit einer ortsauflösenden Erfassung ausgebildet zu sein. Beispielsweise kann die Lichtdetektionseinheit lediglich die Lichtintensität des auf die Detektionsfläche auftreffenden Gesamtlichts messen. Verringert sich die Lichtintensität, insbesondere um einen vorbestimmten Mindestwert, so kann auf eine übermäßig starke Ausdehnung einer Batteriezelle der Batteriezelleneinheit, die von der Messanordnung überwacht wird, geschlossen werden. Eine noch präzisere und zuverlässigere Überwachung kann zudem noch dadurch bereitgestellt werden, indem die Lichtdetektionseinheit optional auch ortsauflösend ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass sich zum Beispiel die auftreffende Lichtintensität für die mehreren Teilbereiche der Detektionsfläche einzeln bzw. separat bestimmen lässt. Die Lichtdetektionseinheit kann zum Beispiel mit einem Photosensorarray oder ähnlichem ausgebildet sein. Dadurch lässt sich also nicht nur ermitteln, ob und wie viel Licht auf die Detektionsfläche auftrifft, sondern auch wo das Licht auf die Detektionsfläche auftrifft und wie dieses auf der Detektionsfläche räumlich verteil ist. Beispielsweise lässt sich dadurch auch erfassen, wenn sich die insgesamt beleuchtete Detektionsfläche verringert. Auch dies lässt wiederum Rückschlüsse auf eine Ausdehnung einer Batteriezelle der Batteriezelleneinheit zu. Dabei muss eine Verringerung der gemessenen Gesamtintensität des auf die Detektionsfläche auftreffenden Lichts nicht notwendigerweise auch eine Verringerung der beleuchteten Gesamtfläche der Detektionsfläche zur Folge haben. Beispielsweise kann eine verminderte erfasste Lichtintensität auch dadurch bedingt sein, dass das Licht der Lichtquelle beziehungsweise das Lichtstrahlenbündel zum Teil an Partikel gestreut wird, die sich in Gas beziehungsweise oder Atmosphäre befinden, die die Batteriezellen umgibt. Nimmt zum Beispiel die Partikelkonzentration in diesem Gas zu, so wird hierdurch die Lichtdurchlässigkeit verringert, was dann entsprechend ebenfalls durch die Lichtdetektionseinheit erfasst werden kann.
-
Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messanordnung dazu ausgelegt ist, eine Partikelkonzentration und/oder eine Änderung einer Partikelkonzentration von in dem die mindestens eine Batteriezelle umgebenden Gas enthaltenen Partikeln in Abhängigkeit von dem von der Lichtdetektionseinheit erfassten Licht zu detektieren. Diese Ausgestaltung beruht wiederum auf der Erkenntnis, dass sich im Falle eines Gasaustritts eines Gases aus einer Batteriezelle auch die Partikelkonzentration im Gas um die Batteriezelle herum verändert. Dies kann dann entsprechend mittels der Messanordnung ebenfalls erfasst werden. Mit anderen Worten kann auch ein Gasaustritt aus einer Batteriezelle auf diese Weise von der Messanordnung detektiert werden. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Lichtdetektionseinheit als ortsauflösende Lichtdetektionseinheit wie oben beschrieben ausgebildet ist, da es dann möglich ist, die beiden Ereignisse, nämlich einen Gasaustritt aus einer Batteriezelle und eine Ausdehnung der Batteriezelle in der zweiten Richtung, unabhängig voneinander zu betrachten, wobei beide Ereignisse zu einer Verringerung der insgesamt auf die Detektionsfläche auftreffenden Lichtmenge führen.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die Batteriezelleneinheit einen Zellstapel mit mehreren in einer Stapelrichtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen, umfassend die mindestens eine Batteriezelle, dar, wobei die Stapelrichtung zur ersten Richtung korrespondiert, insbesondere wobei die jeweiligen Batteriezellen derart angeordnet sind, dass sich ihre jeweiligen ersten Seiten im Referenzzustand der Batteriezellen auf einer gleichen Höhe bezüglich der zweiten Richtung befinden. In diesem Fall bezieht sich der Referenzzustand zumindest auf einen initialen Verbauzustand der Batteriezellen zu Beginn deren Lebensdauer. Mit anderen Worten kann der Zellstapel so gefertigt werden, dass die ersten Seiten der jeweiligen Batteriezellen dieses Zellstapels auf eine gleiche Höhe zueinander ausgerichtet werden. Dadurch lässt es sich erreichen, dass eine etwas in der zweiten Richtung höherragende Batteriezelle nicht verhindert, dass eine weniger hochragende Batteriezelle bezüglich ihrer Ausdehnung in der zweiten Richtung zuverlässig vermessen werden kann. Initial sind also alle Batteriezellen bezüglich der zweiten Richtung auf einer gleichen Höhe. Kommt es zu einer übermäßig starken Ausdehnung einer dieser Batteriezellen in der zweiten Richtung, im Laufe deren Lebensdauer beziehungsweise im Laufe des Betriebs, so kann dies zuverlässig erfasst werden. Fertigungstoleranzen bezüglich der Größen der Batteriezellen wirken sich damit nicht negativ auf die Messqualität aus.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messanordnung dazu ausgelegt, ein Vermessen der Ausdehnung in einem vorbestimmten Betriebszustand durchzuführen, in welchem sich die Batteriezelleneinheit im Stillstand befindet, insbesondere während eines Ladevorgangs zum elektrischen Laden der Batteriezelleneinheit. Gerade während eines Ladevorgangs kommt es typischerweise zu besonders starken Ausdehnungen der Batteriezellen. Dadurch lässt sich vor allem während eines Ladevorgangs die Ausdehnung der Batteriezellen sehr zuverlässig überwachen. Die Messungen finden also bevorzugt in einem Stillstand der Batteriezelleneinheit statt und insbesondere in einem Stillstand des Kraftfahrzeugs, in welchem die Messanordnung Anwendung findet. Dadurch können zudem besonders genaue Messungen erzielt werden, da mechanische Bewegungen, wie sie typischerweise im Fahrbetrieb auftreten, die Messung nicht verfälschen können beziehungsweise die Messqualität nicht beeinträchtigen können.
-
Nichts desto weniger wäre es aber dennoch denkbar, Messungen auch während des Fahrbetriebs durchzuführen. Daher stellt es eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messanordnung dazu ausgelegt ist, ein Vermessen der Ausdehnung während einer Fahrt der Batteriezelleneinheit durchzuführen und mindestens einen Fahrtparameter zu erfassen, der eine Bewegung der Batteriezelleneinheit während des Vermessens beeinflusst, und ein Ergebnis des Vermessens in Abhängigkeit von dem Fahrtparameter zu kalibrieren. Damit ist also ein Einsatz der Messanordnung auch während der Fahrt möglich. Besonders vorteilhaft ist es dabei, mittels mindestens eines weiteren Sensors zum Beispiel Kurven-, Bergauf- und Bergabfahrten oder sonstige Unregelmäßigkeiten zu detektieren und zu erkennen. In Abhängigkeit davon können die erkannten Unregelmäßigkeiten mit dem erkannten und veränderten Sensorquerschnitt abgeglichen werden. Mit anderen Worten kann der Einfluss dieser Unregelmäßigkeiten aus dem Ergebnis der Vermessung der Ausdehnung der mindestens einen Batteriezelle herausgerechnet werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messanordnung dazu ausgelegt, zu zumindest einem vorgebbaren Zeitpunkt, insbesondere in oder unmittelbar nach einem elektrischen Ruhezustand der mindestens einen Batteriezelle, eine Kalibrierung des Referenzzustands der mindestens einen Batteriezelle durchzuführen. Diese Kalibrierung muss dabei nicht notwendigerweise in oder nach jedem Ruhezustand, insbesondere elektrischen Ruhezustand der mindestens einen Batteriezelle durchgeführt werden, sondern kann auch in größeren Zeitabständen, zum Beispiel nach einer vorgebbaren Mindestanzahl an Wochen oder Monaten oder Jahren durchgeführt werden. Durch eine solche Kalibrierung lassen sich vorteilhafterweise auch alterungsbedingte Lage- und Ausdehnungsänderungen berücksichtigen. Eine solche Neukalibrierung ist also vorteilhaft, zum Beispiel um zu berücksichtigen, wenn sich im Laufe des Fahrzeuglebens die Batterie beziehungsweise die Batteriezellen im Ruhezustand beziehungsweise im alterungsbedingt veränderten Referenzzustand nicht mehr bei 90 Prozent befindet, sondern zum Beispiel bei 80 Prozent in Bezug auf den von der Lichtdetektionseinheit noch erfassten nicht verdeckten Anteil des Lichtstrahlenbündels.
-
Der Ruhezustand der Batteriezelle bezieht sich dabei auf einen elektrischen Ruhezustand. Darunter ist ein Zustand zu verstehen, in welchem die Batteriezelle weder durch elektrischen Strom geladen wird, noch Strom aus der Batteriezelle bezogen wird. Beispielsweise kann eine Kalibrierung nach einer längeren Standzeit des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel nach mehreren Stunden, vorgenommen werden.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Kraftfahrzeugbatterie mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die Kraftfahrzeugbatterie kann zum Beispiel als eine Hochvolt-Batterie ausgestaltet sein.
-
Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Vermessen einer Ausdehnung mindestens einer Batteriezelle, die derart beschaffen ist, dass diese sich in einer ersten Richtung alterungsbedingt und/oder betriebsbedingt in Bezug auf einen Referenzzustand stärker ausdehnt als in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung senkrecht ist, wobei zum Vermessen der Ausdehnung ein Lichtstrahlenbündel durch eine Lichtquelle bereitgestellt wird, das zumindest zum Teil von der Lichtdetektionseinheit erfasst wird, zumindest wenn sich die mindestens eine Batteriezelle im Referenzzustand befindet. Dabei wird mittels der Messanordnung eine Ausdehnung der Batteriezelle bezüglich der zweiten Richtung gemessen.
-
Die für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
-
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
-
Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
-
Beispielsweise kann die in Bezug auf die Messanordnung definierte zweite Richtung parallel zu einer Fahrzeughochrichtung des Kraftfahrzeugs orientiert sein.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Batteriezelle im Referenzzustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Batteriezelle in einem ausgedehnten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einem Zellstapel mehrerer Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 10 weist dabei eine Batteriezelleneinheit 12 mit mindestens einer Batteriezelle 14 auf. Im vorliegenden Beispiel ist doch lediglich nur eine Batteriezelle 14, insbesondere auch nur ein Teil einer solchen Batteriezelle 14, dargestellt. Darüber hinaus umfasst die Messanordnung 10 eine als Laserlichtquelle 16 ausgebildete Lichtquelle und eine Lichtdetektionseinrichtung 18. Die Batteriezelle 14 ist im vorliegenden Beispiel als eine prismatische Batteriezelle 14 ausgebildet und weist eine erste Seite 14a auf, die die Batteriezelle 14 in z-Richtung begrenzt. Weiterhin ist die Batteriezelle 14 so ausgebildet, dass diese sich alterungsbedingt und/oder betriebsbedingt ausdehnt, und zwar am stärksten in Bezug auf die dargestellte x-Richtung. Die Zelle 14 kann dabei im Laufe ihrer Lebensdauer in x-Richtung anschwellen und dabei vor allem mittig bezüglich der z-Richtung ausbauchen. Dieses Anschwellen wird typischerweise noch durch ein zyklisches An- und Abschwellen beim Laden und Entladen der Batteriezelle 14 überlagert. Auch dieses zyklische An- und Abschwellen erfolgt maßgeblich in x-Richtung. Die Zelle 14 kann zum Beispiel eine Dicke D in x-Richtung aufweisen, eine Höhe in z-Richtung und eine Breite in y-Richtung. Die Dicke D ist dabei bevorzugt kleiner als die Höhe in z-Richtung und die Breite in y-Richtung. Die Lichtquelle 16 und die Lichtdetektionseinheit 18 sind nun derart zueinander angeordnet, dass sich die Batteriezelle 14 bezogen auf die x-Richtung zwischen der Lichtquelle 16 und der Lichtdetektionseinheit 18 befindet.
-
Die Lichtquelle 16 ist weiterhin dazu ausgelegt, ein Lichtstrahlenbündel 20 bereitzustellen. Die Abstrahlrichtung dieses Lichtstrahlenbündels ist vorliegend durch die Pfeile 21 veranschaulicht. Beim Lichtstrahlenbündel 20 kann es sich zum Beispiel um einen kollimierten Lichtstrahl handeln. Dieser kann zum Beispiel einen Durchmesser d im Bereich von mindestens 1 mm bis maximal 1 cm aufweisen.
-
Die Messanordnung 10 ist nun so ausgebildet, dass sich mit dieser eine Ausdehnung Δh (vgl. 2) in z-Richtung erfassen lässt, das heißt also senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung der Zelle 14, die der x-Richtung entspricht. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass sich eine Batteriezelle 14 typischerweise vor einem Ausgasen im Zusammenhang mit einem thermischen Durchgehen einer solchen Batteriezelle 14 ausdehnt, und zwar nicht nur in ihrer Hauptausdehnungsrichtung x, sondern auch senkrecht dazu. Dies kann vorliegend genutzt werden, um anhand der fassten Ausdehnung Δh zu detektieren, dass die Batteriezelle 14 thermisch durchgeht. Somit können besonders vorteilhaft frühzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, zum Beispiel eine Kühlung aktiviert werden. Um nunmehr diese Ausdehnung Δh in beziehungsweise entgegen z-Richtung zu detektieren, ist die Lichtquelle 16 und deren Bezug auf die Batteriezelle 14 angeordnet, dass das bereitgestellte Lichtstrahlenbündel 20 zumindest teilweise oberhalb der ersten Seite 14a der Batteriezelle 14 in Bezug auf die z-Richtung verläuft. Bevorzugt ist die Lichtquelle 16 beziehungsweise das Lichtstrahlenbündel 20 so in Bezug auf die Zelle 14 ausgerichtet, dass die Zelle 14 zumindest einen Teil des Lichtstrahlenbündels 20 verdeckt. Dieser verdeckte Teil ist exemplarisch in 1 mit T1 bezeichnet. Der restliche nicht verdeckte Anteil T2 trifft auf die Lichtdetektionseinheit 18 auf und wird durch diese erfasst. In dem in 1 dargestellten Beispiel befindet sich die Batteriezelle 14 in einem Referenzzustand R. Dies stellt einen Zustand der Batteriezelle 14 dar, in welchem diese nicht thermisch durchgeht. Dies kann einen Initialzustand der Batteriezelle 14 darstellen, zum Beispiel zu Beginn ihrer Lebensdauer oder auch einen später neu kalibrierten Referenzzustand R. Dabei ist nunmehr also die Lichtquelle 16 so angeordnet und relativ zur Zelle 14 positioniert, dass die Zelle 14 im Referenzzustand R teilweise in das Lichtstrahlenbündel 20 eintaucht, dieses aber nicht vollständig bedeckt. Bevorzugt wird weniger als die Hälfte des Lichtstrahlenbündels 20 von der Zelle 14 im Referenzzustand R verdeckt. Beispielsweise kann der erste Teil T1 des Lichtstrahlenbündels 20, der von der Zelle 14 im Referenzzustand R verdeckt ist, 10 Prozent bezogen auf die Querschnittsfläche des Lichtstrahlenbündels 20 senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, das heißt senkrecht zur x-Richtung in diesem Beispiel betragen. Entsprechend werden 90 Prozent des Lichtstrahlenbündels 20 als zweiter Teil T2 von der Lichtdetektionseinheit 18 detektiert.
-
Dehnt sich nun die Batteriezelle 14, zum Beispiel infolge eines beginnenden thermischen Durchgehens dieser Batteriezelle 14 in z-Richtung aus, wie dies in 2 dargestellt ist, so nimmt entsprechend der erste von der Zelle 14 verdeckte Teil T1' zu und der vom Detektor 18 detektierte Teil T2' entsprechend ab. Die Ausdehnung und die Ausdehnungsrichtung ist in 2 exemplarisch durch den Pfeil 22 veranschaulicht.
-
Die Ausdehnung Δh der Zelle 14 kann dabei auch nur indirekt beziehungsweise rein qualitativ mittels der Lichtdetektionseinheit 18 bestimmt werden. Beispielsweise kann diese so ausgebildet sein, dass sie nur eine Gesamtintensität auf ihrer Detektionsfläche 18a detektieren kann. Unterschreitet die gesamte Intensität einen bestimmten Grenzwert, so kann dies als Detektion einer übermäßigen Ausdehnung Δh gewertet werden. Denkbar ist es aber auch, dass die Lichtdetektionseinheit 18 als eine ortsauflösende Lichtdetektionseinheit ausgebildet ist. Diese kann beispielsweise einzelne Pixel umfassen, in denen sich die Intensität des auftreffenden Lichts separat ermitteln lässt. Dadurch lässt sich zum Beispiel auch die Größe der beleuchteten Fläche der Gesamtdetektionsfläche 18a ermitteln oder sogar die Ausdehnung Δh der Zelle 14 direkt messen. Die Auswertung kann dabei optional auch von einer nicht näher dargestellten externen Auswerteeinheit übernommen werden oder von einer in die Lichtdetektionseinheit 18 integrierten Auswerteeinheit. Bevorzugt ist es jedenfalls, dass die Lichtdetektionseinheit 18 mit einem übergeordneten Steuergerät kommunikativ gekoppelt ist. Im Falle, dass eine übermäßig starke Ausdehnung Δh in z-Richtung detektiert wird, kann dies der übergeordneten Steuereinrichtung mitgeteilt werden und diese kann entsprechende Gegenmaßnahmen oder Sicherheitsmaßnahmen einleiten.
-
Um eine übermäßig starke Ausdehnung Δh in z-Richtung zu detektieren gibt es verschiedene Möglichkeiten. Grundsätzlich kann von der Lichtdetektionseinheit 18, die im Folgenden auch teilweise einfach als Detektor 18 oder Lichtsensor 18 bezeichnet wird, eine Erfassungsgröße des Lichtstrahls 20 erfasst werden, z.B. die vom Lichtstrahlenbündel 20 beleuchtete Fläche der Detektorfläche 18a und/oder die vom Detektor 18 gemessene Gesamtintensität. Diese Erfassungsgröße kann zu einer korrespondierenden Aussendegröße des von der Lichtquelle 16 ausgesandten Lichts 20 ins Verhältnis gesetzt werden. Die Aussendegröße, die zur vom Lichtstrahlenbündel 20 beleuchtete Fläche der Detektorfläche korrespondiert, ist die Querschnittsfläche des von der Lichtquelle 16 ausgesandten Lichtstrahlenbündels 20 und die Aussendegröße, die zur vom Detektor 18 gemessene Gesamtintensität korrespondiert, ist die Gesamtintensität des von der Lichtquelle 16 ausgesandten Lichtstrahlenbündels 20. Für das Verhältnis kann z.B. ein Grenzwert vorgegeben sein. Wird dieser unterschritten, liegt eine übermäßig starke Ausdehnung Δh in z-Richtung vor. Es kann aber auch ein Grenzwert für die Erfassungsgröße an sich vorgegeben sein. Wird dieser unterschritten, liegt eine übermäßig starke Ausdehnung Δh in z-Richtung vor. Diese erwähnten Grenzwerte können bei der Kalibrierung des Referenzzustands R entsprechend korrespondierend angepasst bzw. kalibriert werden.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese kann insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, bis auf den Unterschied, dass nunmehr die Batteriezelleneinheit 12 nicht nur eine Batteriezelle 14 umfasst, sondern als ein Zellstapel 24 mit mehreren in x-Richtung nebeneinander angeordneten Batteriezellen 14 ausgebildet ist. Die x-Richtung korrespondiert damit zu einer Stapelrichtung S des Zellstapels 24. In diesem Beispiel sind die Zellen 14 wiederum als prismatische Batteriezellen 14 ausgebildet. Die Lichtquelle 16 und die Lichtdetektionseinheit 18 sind so zueinander angeordnet, dass sich der Zellstapel 24 in x-Richtung zwischen der Lichtdetektionseinheit 18 und der Lichtquelle 16 befindet. Das Strahlenbündel 20, welches von der Lichtquelle 16 emittierbar ist, ist dabei parallel zur Stapelrichtung S orientiert. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, dass das Strahlenbündel 20 den gesamten Zellstapel 24 überstreicht, insbesondere alle ersten Seiten 14a der jeweiligen Zellen 14. Sobald eine der Zellen 14, wie in diesem Beispiel für die Zelle 14b illustriert, sich in z-Richtung übermäßig ausdehnt, kann dies mittels der Lichtdetektionseinheit 18 wie zuvor beschrieben registriert werden. Durch diesen Aufbau lassen sich folglich mehrere Batteriezellen 14 eines Zellstapels 24 gleichzeitig auf übermäßige Ausdehnungen in z-Richtung überwachen. Zu diesem Zweck ist es entsprechend vorteilhaft, wenn die Zellen 14 in ihrem Referenzzustand R so zueinander angeordnet und positioniert werden, dass sich ihre jeweiligen ersten Seiten 14a zumindest näherungsweise auf gleicher Höhe in Bezug auf die z-Richtung befinden.
-
Die Messanordnung 10 ist dabei dazu ausgelegt, die physikalische Ausdehnung der Batterie beziehungsweise einzelner Zellen 14 zu messen, insbesondere senkrecht zu einer Hauptausdehnungsrichtung beziehungsweise senkrecht zur Stapelrichtung S. Vor allem durch den Einsatz von präzisen Lasersensoren innerhalb der Hochvolt-Batterie, das heißt von Laserlichtquellen 16 in Kombination mit entsprechenden, zugeordneten Detektoren 18 zum Erfassen des Laserlichts, kann eine Ausdehnung der Batterie beziehungsweise der Zellen 14 in z-Richtung zuverlässig bestimmt werden. Dabei wird der Laser 16 wie beschrieben vorzugsweise so platziert, dass der Laser 16 bei nicht ausgedehnten Batteriezustand, das heißt also im Referenzzustand R der jeweiligen Zellen 14, bereits zu einem kleinen Teil von der Batteriezellenkante eintaucht, d.h. der Zellverbund 12 mit seiner Kante einen Teil des Laserstrahls 20 aus Sicht des Detektors 18 verdeckt. Damit, insbesondere durch den nicht verdeckten Anteil und/oder den verdeckten Anteil und ggf. deren Größen bzw. relative Größen, kann die Position des Lasers 16 verifiziert werden und auch die selbständige Kalibrierung des Systems wird dadurch ermöglicht. Die Messung soll anhand der vertikalen Achse erfolgen. Mit anderen Worten wird die Ausdehnung Δh der Zellen 14 in z-Richtung gemessen. Im nicht ausgedehnten Zustand der Batterie beziehungsweise der Zellen 14 können vom Sensor 18 zum Beispiel 90 Prozent des ursprünglichen Durchmessers des Lichtstrahlenbündels 20 gemessen werden. Wenn sich die Batterie in z-Richtung ausdehnt, kommen dann beispielsweise nicht mehr 90 Prozent am Sensor 18 an, sondern zum Beispiel nur noch 80 Prozent. Dadurch kann die Ausdehnung Δh erfasst werden.
-
Eine Detektion eines thermischen Durchgehens einer Zelle 14 der Batteriezellenanordnung 12 muss dabei nicht notwendigerweise allein auf Basis einer detektierten Ausdehnung Δh erfolgen. Auch andere Messgrößen, wie Temperatur, Spannung, Strom oder ähnliches, können dabei berücksichtigt werden. Dadurch kann die Detektion eines thermischen Durchgehens noch zuverlässiger gestaltet werden. Insgesamt lassen sich durch diese Messanordnung 10 zusätzliche Informationen zur Batterie und den von dieser umfassten Zellen 14 generieren. Die neuen Messergebnisse können dabei im Zusammenhang mit bestehenden Daten interpretiert werden. Unter Umständen kann durch die frühzeitige Detektion eines thermischen Durchgehens sogar ein Ausgasen der Batteriezellen 14 verhindert werden. Außerdem kann sehr frühzeitig eine geeignete Maßnahme eingeleitet werden, zum Beispiel eine zielgerichtete Kühlung eingeleitet werden oder eine Umverteilung der Batterielast. Die Wirksamkeit der eingeleiteten Maßnahmen kann zudem schnell durch den Rückgang der Ausdehnung Δh der Batterie beziehungsweise der betreffenden Zellen 14 gemessen werden.
-
Der Laser 16 beziehungsweise der Laserstrahl 20 kann wie beschrieben und gezeigt die Batteriezelle 14 und das Batteriemodul 24 an der Oberfläche, das heißt den jeweiligen ersten Seiten 14a im nicht ausgedehnten Referenzzustand R berühren bzw. die Zellen 14 tauchen mit ihren Oberseiten 14a zum Teil in den Strahl 20 ein. Vom Durchmesser des ursprünglichen Lasers, das heißt dem Durchmesser d des ursprünglichen Strahlenbündels 20 soll im nicht ausgedehnten Zustand R zum Beispiel 90 Prozent am Detektor 18 ankommen. Das Eintauchen zu einem bestimmten Prozentsatz ermöglicht auch eine Neukalibrierung, falls sich im Laufe des Fahrzeuglebens die Batterie im Ruhezustand nicht mehr „bei 90 Prozent befindet“, sondern z.B. bei 80 Prozent, d.h. nur noch ein bestimmter verringerter Prozentsatz, z.B. 80% des ausgesandten und das Strahlenbündel 20 bereitstellenden Lichts am Detektor 18 ankommen. Als Gründe hierfür können verschiedenste sein. Als Ursache für einen solchen verringerten Prozentsatz kann ein bevorstehendes thermisches Durchgehen einer Zelle 14 z.B. dadurch ausgeschlossen werden, in dem weitere Messgrößen, z.B. die Temperatur und/oder der zeitliche Temperaturverlauf betrachtet werden, auf deren Basis ein bevorstehendes thermisches Ereignis ausgeschlossen werden kann und/oder dadurch, dass eine solche Veränderung des Prozentsatzes sehr langsam stattfindet, z.B. wenn der zeitliche Gradient der Änderung kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert.
-
Zur optimalen Positionierung des Lasers 16 empfiehlt es sich, die Batterie, zum Beispiel das Batteriemodul beziehungsweise den Zellstapel 24, in Längs- oder Querrichtung über die ganze Fahrzeuglänge beziehungsweise Fahrzeugbreite, d.h. z.B. in der dargestellten x-Richtung oder y-Richtung, verlaufende Riegel anzuordnen. Sind also mehrere Batteriemodule in Reihen nebeneinander angeordnet, so dass ihre Stapelrichtungen S zueinander parallel sind, kann für jede Reihe ein Paar aus Lichtquelle 16 und Detektor 18 vorgesehen sein, deren gedachte Verbindungslinien zur Verlaufsrichtung der jeweiligen Lichtstrahlenbündel 20 korrespondiert und zueinander und zur Stapelrichtung S parallel ausgerichtet sind. Je nach Art der Batterietechnologie sind die Abgriffspunkte anders. Der Sensor, das heißt die Lichtquelle 16 und die Lichtdetektionseinheit 18, sollen optimalerweise in das Batteriepack integriert werden. Gegebenenfalls sind dabei Ausfräsungen erforderlich. Der Sensor soll vor allem beim Ladevorgang zum Einsatz kommen, aber auch ein Einsatz während der Fahrt ist möglich, wenn man einen Sensor ergänzt, der Kurven-, Bergauf- und Bergabfahrten oder sonstige Unregelmäßigkeiten erkennt. Daraufhin können die erkannten Unregelmäßigkeiten mit dem erkannten und veränderten Sensorquerschnitt abgeglichen werden.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Lasersensor zur Überwachung der Batterie bereitgestellt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102020003309 A1 [0003]
