DE102022201948B4 - System for monitoring and increasing the safety of a battery system, in particular a battery system of a motor vehicle that serves as a drive energy storage device - Google Patents
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Abstract
System zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems (20), das mehrere Batteriezellen (10) aufweist, wobei jede Batteriezelle (10) ein Zellgehäuse (26) aufweist und wobei jedes Zellgehäuse (26) eine polfreie Gehäuseseite aufweist, an welcher kein Zellpol angeordnet ist, wobei an einer polfreien Gehäuseseite eine Entlüftungsvorrichtung (11) vorgesehen ist, welche sich zumindest über einen Teil der polfreien Gehäuseseite erstreckt,wobei mindestens einem Zellgehäuse (26) ein Detektionselement (14) zugeordnet ist, welches funktional mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung (22) und/oder einem Batterie-Management-System (23) verbunden ist, wobei das Detektionselement (14) außerhalb des Zellgehäuses (26) in dessen örtlicher Nähe derart angeordnet ist, dass durch die Entlüftungsvorrichtung (11) austretendes Fluid im Bereich des Austritts mit Hilfe des Detektionselements (14) detektierbar ist, wobeidas Detektionselement (14) Teil einer flächigen Trägereinheit (13) ist, welche außenseitig andas Zellgehäuse (26) angrenzend angeordnet ist und/oder wobeidie Zellgehäuse (26) zumindest teilweise auf einer Tragstruktur (12) angeordnet sind und dieTrägereinheit (13) zwischen der Entlüftungsvorrichtung (11) und der Tragstruktur (12) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet,dass das Detektionselement (14) unmittelbar unterhalb der Entlüftungsvorrichtung (11) angeordnet und die Trägereinheit (13) als ein- oder mehrschichtige Matte (28) ausgebildet ist, wobei in die Trägereinheit (13) ein oder mehrere Detektionsschaltungen mit ein oder mehreren Detektionselementen (14) integriert sind.System for monitoring and increasing the safety of a battery system (20) which has a plurality of battery cells (10), each battery cell (10) having a cell housing (26) and each cell housing (26) having a pole-free housing side on which no cell pole is arranged, a venting device (11) being provided on a pole-free housing side, which extends at least over part of the pole-free housing side, at least one cell housing (26) being assigned a detection element (14) which is functionally connected to a signal processing device (22) and/or a battery management system (23), the detection element (14) being arranged outside the cell housing (26) in its local vicinity in such a way that fluid escaping through the venting device (11) can be detected in the region of the outlet with the aid of the detection element (14), the detection element (14) being part of a flat carrier unit (13) which is attached to the outside of the Cell housing (26) is arranged adjacent and/or wherein the cell housing (26) is at least partially arranged on a support structure (12) and the carrier unit (13) is arranged between the venting device (11) and the support structure (12), characterized in that the detection element (14) is arranged directly below the venting device (11) and the carrier unit (13) is designed as a single- or multi-layer mat (28), wherein one or more detection circuits with one or more detection elements (14) are integrated into the carrier unit (13).
Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems, insbesondere eines Batteriesystems eines Kraftfahrzeuges, das als Antriebsenergiespeicher dient. Es wird insoweit auch auf Kraftfahrzeuge mit solchen Batteriesystemen verwiesen.The invention relates to a system for monitoring and increasing the safety of a battery system, in particular a battery system of a motor vehicle that serves as a drive energy storage device. In this respect, reference is also made to motor vehicles with such battery systems.
Unter Antriebsenergiespeichern werden insbesondere solche Energiespeicher verstanden, die Antriebsenergie für den unmittelbaren Antrieb eines Kraftfahrzeuges liefern. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf Batteriesysteme mit Lithium-lonen-Batteriezellen und/oder mit Batteriezellen verwiesen, die zu einer Gesamtspannung von mindestens 48 V zusammengeschaltet sind, bevorzugt mindestens 100 V oder weiter bevorzugt mindestens 200 V. Insbesondere betrifft die Erfindung Batteriesysteme mit Batteriezellen, die zu einer Gesamtspannung zwischen 48 V und 1.200 V verschaltet sind, insbesondere 100 V bis 800 V oder 200 V bis 800 V. Die Erfindung betrifft im Speziellen Batteriezellen mit einem prismatischen Gehäuse.Drive energy storage devices are understood to mean, in particular, energy storage devices that supply drive energy for the direct drive of a motor vehicle. In this context, reference is made in particular to battery systems with lithium-ion battery cells and/or with battery cells that are connected together to form a total voltage of at least 48 V, preferably at least 100 V or more preferably at least 200 V. In particular, the invention relates to battery systems with battery cells that are connected together to form a total voltage between 48 V and 1,200 V, in particular 100 V to 800 V or 200 V to 800 V. The invention relates in particular to battery cells with a prismatic housing.
Eine große Herausforderung in Verbindung mit derartigen Batteriezellen und solche Batteriezellen aufweisenden Batteriemodulen und Batteriesystemen ist es, eine hohe Funktionssicherheit zu gewährleisten. Zu vermeiden ist insbesondere die Überhitzung einzelner Batteriezellen, welche auch als „Thermal Runaway“ oder „Thermal Propagation“ bezeichnet wird. Um den Beginn einer solchen Überhitzung frühzeitig zu erkennen, gibt es bereits unterschiedliche Vorschläge, die insbesondere auf die Überwachung des Drucks und/oder der Temperatur einzelner Batteriezellen abzielen.A major challenge in connection with such battery cells and battery modules and battery systems containing such battery cells is to ensure a high level of functional reliability. In particular, overheating of individual battery cells, which is also referred to as "thermal runaway" or "thermal propagation", must be avoided. In order to detect the onset of such overheating at an early stage, there are already various proposals that aim in particular at monitoring the pressure and/or temperature of individual battery cells.
Aus
Aus
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Unabhängig von dem vorstehend beschriebenen Überhitzungsproblem gibt es weitere Probleme, die mit den aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystemen nicht erkannt werden.Independent of the overheating problem described above, there are other problems that are not detected with the battery systems known from the state of the art.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems zur Verfügung zu stellen, mit welchem auch vom Druck der Batteriezelle unabhängige, potentielle Gefahrenzustände einer Batteriezelle detektierbar sind, insbesondere durch Austritt von Elektrolyt und/oder sonstigen Fluiden aus einer Batteriezelle verursachte Gefahrenzustände. Derartige Gefahrenzustände können beispielsweise durch eine Leckage auftreten, insbesondere wenn eine solche Leckage herstellungsbedingt (Material- und/oder Fertigungsfehler), verschleißbedingt (Alterung), belastungsbedingt (mechanische Beanspruchung des Zellgehäuses) oder alterungsbedingt (Materialermüdung) auftritt.The invention is based on the object of providing a system for monitoring and increasing the safety of a battery system, with which potential dangerous conditions of a battery cell can be detected that are independent of the pressure of the battery cell, in particular dangerous conditions caused by the leakage of electrolyte and/or other fluids from a battery cell. Such dangerous conditions can occur, for example, due to a leak, in particular if such a leak occurs due to manufacturing (material and/or production defects), wear (aging), load (mechanical stress on the cell housing) or age (material fatigue).
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruch 1. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is achieved according to the invention with the features of claim 1. Further practical embodiments and advantages of the Invention are described in conjunction with the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes System zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems weist mehrere Batteriezellen auf, wobei für jede Batteriezelle ein Zellgehäuse vorgesehen ist, d.h. jede Batteriezelle ein separates Zellgehäuse aufweist. Dabei weist jedes Zellgehäuse mindestens eine polfreie Gehäuseseite auf, an welcher kein Zellpol angeordnet ist. An einer solchen polfreien Gehäuseseite ist bei dem erfindungsgemäßen System eine Entlüftungsvorrichtung vorgesehen, die sich zumindest über einen Teil der polfreien Gehäuseseite erstreckt, wobei mindestens einem Zellgehäuse ein Detektionselement zugeordnet ist, welches funktional mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung und/oder einem Batterie-Management-System verbunden ist. Dabei ist das Detektionselement außerhalb des Zellgehäuses in dessen örtlicher Nähe derart angeordnet, dass durch die Entlüftungsvorrichtung austretendes Fluid im Bereich des Austritts mit Hilfe des Detektionselements detektierbar ist. Die Kernidee der Erfindung ist es damit, durch das Vorsehen und die gewählte Anordnung von einem oder mehreren Detektionselementen auch vom Druck der jeweiligen Batteriezelle oder Batteriezellen unabhängige, potentielle Gefahrenzustände einer Batteriezelle erkennen zu können. So kann beispielsweise eine Undichtigkeit einer Batteriezelle erkannt werden, auch wenn diese zunächst nicht mit einer Druck- und/oder Temperaturerhöhung innerhalb der Batteriezelle verbunden ist.A system according to the invention for monitoring and increasing the safety of a battery system has several battery cells, with a cell housing being provided for each battery cell, i.e. each battery cell has a separate cell housing. Each cell housing has at least one pole-free housing side on which no cell pole is arranged. On such a pole-free housing side, a venting device is provided in the system according to the invention, which extends at least over part of the pole-free housing side, with at least one cell housing being assigned a detection element which is functionally connected to a signal processing device and/or a battery management system. The detection element is arranged outside the cell housing in its local vicinity in such a way that fluid escaping through the venting device can be detected in the area of the outlet with the aid of the detection element. The core idea of the invention is therefore to be able to detect potential dangerous states of a battery cell that are independent of the pressure of the respective battery cell or battery cells by providing and arranging one or more detection elements. For example, a leak in a battery cell can be detected even if this is not initially associated with an increase in pressure and/or temperature within the battery cell.
Bevorzugt ist es, wenn einer Vielzahl von Zellgehäusen ein Detektionselement zugeordnet ist, beispielsweise jedem vierten Zellgehäuse, jedem dritten Zellgehäuse, jedem zweiten Zellgehäuse oder sogar jedem Zellgehäuse. Insbesondere wenn jedem Zellgehäuse ein Detektionselement zugeordnet ist, kann im Falle einer Detektion mit Hilfe des Detektionselements bei einer entsprechend ausgelegten Auswertungsarchitektur, nämlich einer einzelnen Zuordnung jedes Detektionselements zu einer entsprechenden Signalverarbeitungsvorrichtung und/oder einer eines Batterie-Management-System, exakt bestimmt werden, an welcher Batteriezelle die jeweilige Detektion stattgefunden hat.It is preferred if a detection element is assigned to a plurality of cell housings, for example every fourth cell housing, every third cell housing, every second cell housing or even every cell housing. In particular, if a detection element is assigned to each cell housing, in the event of a detection with the aid of the detection element, with a suitably designed evaluation architecture, namely an individual assignment of each detection element to a corresponding signal processing device and/or a battery management system, it can be determined exactly at which battery cell the respective detection took place.
Als einfaches Detektionselement kann ein elektrisch leitendes Elements vorgesehen sein, insbesondere in Form eines Drahts, z.B. Metalldraht, eines leitenden Bandes oder ein sonstiges elektrisch leitendes Gebilde, bei dem es sich auch um Kombinationen aus Draht und Band handeln kann. Während eines „Thermal Runaway“ treten heiße Gase durch die Entlüftungsvorrichtung nach außen, welche dann mit dem Detektionselement in Kontakt treten und dessen Temperatur erhöhen. Dies führt zunächst zu einer Widerstandsänderung und kann im weiteren Verlauf auch zu einem Durchschmelzen führen. Kommt es zum Durschmelzen, ist die elektrische Verbindung unterbrochen, und das Batterie-Management-System, die Signalverarbeitungsvorrichtung oder eine Auswerteeinheit kann den „Thermal Runaway“ erkennen. Wenn das Detektionselement und das Batterie-Management-System, die Signalverarbeitungsvorrichtung oder Auswerteeinheit geeignet ausgebildet sind, können auch bereits elektrische Widerstandsänderungen erfasst und ein sicher ankündigender „Thermal Runaway“ erkannt werden.An electrically conductive element can be provided as a simple detection element, in particular in the form of a wire, e.g. metal wire, a conductive strip or another electrically conductive structure, which can also be a combination of wire and strip. During a "thermal runaway", hot gases escape through the venting device, which then come into contact with the detection element and increase its temperature. This initially leads to a change in resistance and can also lead to melting through later on. If melting through occurs, the electrical connection is interrupted and the battery management system, the signal processing device or an evaluation unit can detect the "thermal runaway". If the detection element and the battery management system, the signal processing device or an evaluation unit are suitably designed, electrical resistance changes can also be detected and a reliably heralding "thermal runaway" can be detected.
Alternativ oder in Ergänzung dazu kann ein Detektionselement auch ein separates Indikatorelement aufweisen, beispielsweise ein Indikatorelement, das unabhängig von der Temperatur auch auf Kontakt mit Flüssigkeit und/oder auf Kontakt mit einer Gasströmung und einer damit verbundenen Anströmkraft eines Gases mit einer Widerstandsänderung oder einer Unterbrechung der elektrischen Verbindung reagiert.Alternatively or in addition, a detection element can also have a separate indicator element, for example an indicator element which, regardless of the temperature, also reacts to contact with liquid and/or to contact with a gas flow and an associated flow force of a gas with a change in resistance or an interruption of the electrical connection.
Insbesondere, wenn eine Vielzahl von Detektionselementen in einem Batteriesystem mit einer Vielzahl von Zellgehäusen angeordnet sind, ist es herstellungs- und montagetechnisch bevorzugt, wenn das Detektionselement Teil einer flächigen Trägereinheit ist, welche außenseitig an das Zellgehäuse angrenzend angeordnet ist. Unter einer solchen Trägereinheit wird jedes Gebilde verstanden, das größer ist als das Detektionselement und dazu dient, ein oder mehrere Detektionselemente in einer bestimmten Relativlage zur Trägereinheit anzuordnen und darauf zu fixieren. Auf einer entsprechenden Trägereinheit können insbesondere mehrere Detektionselemente in einer gewünschten Relativanordnung zueinander und zu der Trägereinheit vormontiert werden. Für die Montage der Detektionselemente eines Batteriesystems ist es dann bei der Endmontage im Fertigungsprozess nur noch erforderlich, eine oder mehrere Trägereinheiten mit den darauf vormontierten Detektionselementen in eine gewünschte Relativposition außenseitig an das Zellgehäuse angrenzend zu bringen. Die Größe einer Trägereinheit ist vorzugsweise an die Größe eines Batteriemoduls angepasst, insbesondere indem es die gleiche Breite und/oder die gleiche Länge aufweist. Die Höhe einer Trägereinheit ist vorzugsweise deutlich geringer als die größere der beiden Dimensionen Länge und Breite, insbesondere maximal 10 Prozent, bevorzugt maximal 5 Prozent und weiter bevorzugt maximal 1 Prozent.In particular, when a large number of detection elements are arranged in a battery system with a large number of cell housings, it is preferred in terms of manufacturing and assembly technology if the detection element is part of a flat carrier unit which is arranged on the outside adjacent to the cell housing. Such a carrier unit is understood to be any structure that is larger than the detection element and serves to arrange one or more detection elements in a specific relative position to the carrier unit and to fix them thereon. In particular, several detection elements can be pre-assembled on a corresponding carrier unit in a desired relative arrangement to one another and to the carrier unit. To assemble the detection elements of a battery system, it is then only necessary during final assembly in the production process to bring one or more carrier units with the detection elements pre-assembled thereon into a desired relative position adjacent to the outside of the cell housing. The size of a carrier unit is preferably adapted to the size of a battery module, in particular by having the same width and/or the same length. The height of a carrier unit is preferably significantly less than the larger of the two dimensions length and width, in particular a maximum of 10 percent, preferably a maximum of 5 percent and more preferably a maximum of 1 percent.
Mit angrenzend angeordnet ist insbesondere gemeint, dass es einen möglichst direkten Weg von der Entlüftungsvorrichtung zu dem Detektionselement gibt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Trägereinheit unmittelbar außenseitig an das Zellgehäuse angrenzend angeordnet ist. Alternativ kann die Trägereinheit auch mittelbar angrenzend angeordnet sein, indem noch ein oder mehrere Zwischenelemente zwischen dem Zellgehäuse und der Trägereinheit angeordnet sind. In diesem Fall ist es jedoch bevorzugt, wenn das eine Zwischenelement oder die mehreren Zwischenelemente jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen, über welche ein direkter, d.h. widerstandfreier Weg von der Entlüftungsvorrichtung des Zellgehäuses zu dem Detektionselement führt. Unter einem solchen Weg ist insbesondere ein Fluidpfad zu verstehen, so dass aus der Entlüftungsvorrichtung einer Batteriezelle oder aus einem Bereich unmittelbar um die Entlüftungsvorrichtung herum austretendes Fluid, beispielsweise Elektrolyt, schwerkraftbedingt auf das Detektionselement tropft oder fließt, ohne dass es zuvor noch ein Zwischenelement durchdringen muss.By arranged adjacently is meant in particular that there is as direct a path as possible from the venting device to the detection element. This is particularly the case if the carrier unit is arranged directly on the outside adjacent to the cell housing. Alternatively, the carrier unit can also be arranged indirectly adjacent, in that one or more intermediate elements are arranged between the cell housing and the carrier unit. In this case, however, it is preferred if the one intermediate element or the several intermediate elements each have at least one through-opening, via which a direct, i.e. resistance-free path leads from the venting device of the cell housing to the detection element. Such a path is to be understood in particular as a fluid path, so that fluid, for example electrolyte, escaping from the venting device of a battery cell or from an area immediately around the venting device drips or flows onto the detection element due to gravity, without first having to pass through an intermediate element.
Herstellungstechnisch und konstruktiv einfach gehalten ist ein erfindungsgemäßes System, wenn die Zellgehäuse zumindest teilweise auf einer Tragstruktur angeordnet sind und die Trägereinheit zwischen der Entlüftungsvorrichtung und der Tragstruktur angeordnet ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Trägereinheit und die Tragstruktur beide als flächige Gebilde gestaltet sind, so dass sich ein schichtweiser Aufbau ergibt. Dieser lässt sich besonders gut montieren, wenn zumindest eine Dimension, Länge oder Breite, von Trägereinheit und Tragstruktur das gleiche Maß aufweist. Insbesondere sind Länge und Breite von Trägereinheit und Tragstruktur gleich groß, so dass diese unmittelbar bündig übereinander angeordnet werden können, um die gewünschte Relativposition zwischen Trägereinheit und Tragstruktur zu erreichen. Aus dem gleichen Grund ist weiter bevorzugt auch zumindest ein Maß (Länge oder Breite) der Zellgehäuse oder einer Vielzahl von miteinander verbundenen Zellgehäusen, z.B. ein Modul aus einer Vielzahl von Zellgehäusen, gleich groß wie das entsprechende Maß der Trägereinheit und/oder der Tragstruktur.A system according to the invention is kept simple in terms of manufacturing technology and construction if the cell housings are at least partially arranged on a support structure and the support unit is arranged between the ventilation device and the support structure. This applies in particular if the support unit and the support structure are both designed as flat structures, so that a layered structure results. This can be assembled particularly well if at least one dimension, length or width, of the support unit and support structure has the same size. In particular, the length and width of the support unit and support structure are the same size, so that they can be arranged directly flush on top of one another in order to achieve the desired relative position between the support unit and support structure. For the same reason, at least one dimension (length or width) of the cell housings or a plurality of interconnected cell housings, e.g. a module made up of a plurality of cell housings, is also preferably the same size as the corresponding dimension of the support unit and/or the support structure.
Ein nur sehr geringeres Bauteilgewicht und einen nur geringen Bauraumbedarf hat das erfindungsgemäße System, weil die Trägereinheit als ein- oder mehrschichtige Matte ausgebildet ist. Wenn es sich bei der Matte um ein flexibles, elastisch biegefähiges und/oder in Dickenrichtung elastisch verformbares Element handelt, hat diese den weiteren Vorteil, dass damit Montage- und Fertigungstoleranzen zwischen der Tragstruktur und den jeweiligen Zellgehäusen ausgeglichen werden können.The system according to the invention has a very low component weight and only requires a small amount of installation space because the support unit is designed as a single- or multi-layer mat. If the mat is a flexible, elastically bendable and/or elastically deformable element in the direction of thickness, this has the further advantage that assembly and manufacturing tolerances between the support structure and the respective cell housings can be compensated.
Bei dem erfindungsgemäßen System sind in die Trägereinheit ein oder mehrere Detektionsschaltungen mit ein oder mehreren Detektionselementen integriert. Auf diese Art und Weise können mehrere Detektionselemente funktional miteinander verbunden werden, beispielsweise um für den jeweiligen Anwendungsfall eine sinnvolle Auslegung hinsichtlich der Komplexität der Auflösung (soll jede Position eines Detektionselements einzeln detektierbar sein oder genügt es, wenn ein Problem in einer Batteriezelle einem bestimmten Batteriemodul zugeordnet werden kann), des Gewichts und der Kosten des Systems vorzunehmen.In the system according to the invention, one or more detection circuits with one or more detection elements are integrated into the carrier unit. In this way, several detection elements can be functionally connected to one another, for example in order to make a sensible design for the respective application with regard to the complexity of the resolution (should each position of a detection element be individually detectable or is it sufficient if a problem in a battery cell can be assigned to a specific battery module), the weight and the cost of the system.
Materialtechnisch bevorzugt für ein erfindungsgemäßes System ist es, wenn die Matte aus einem compoundierten Material mit ein oder mehreren Polymer-Bestandteilen und ein oder mehreren Füllmaterialien hergestellt ist. Dabei werden insbesondere solche Werkstoffe bevorzugt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und elektrisch isolierend sind. In diesem Zusammenhang wird auf thermoplastische Werkstoffe, Elastomere und duroplastische Werkstoffe verwiesen. Als Beispiele für Füllmaterialen wird auf Aluminiumpulver, Al2O2-Pulver und Graphitpulver verwiesen, im Speziellen Nano-Graphitpulver.In terms of material technology, it is preferred for a system according to the invention if the mat is made from a compounded material with one or more polymer components and one or more filler materials. Materials that have high thermal conductivity and are electrically insulating are particularly preferred. In this context, reference is made to thermoplastic materials, elastomers and thermosetting materials. Examples of filler materials include aluminum powder, Al 2 O 2 powder and graphite powder, in particular nano-graphite powder.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems weist die Tragstruktur mindestens einen Hohlraum zum Aufnehmen und/oder Abführen von aus den Batteriezellen ausgetretenen Fluiden auf. Bei den Fluiden kann es sich dabei sowohl um gasförmige als auch um flüssige Fluide handeln. Beispielsweise kann ein Kanal vorgesehen sein, durch welchen sich Gase ungehindert bis zu einem Gassensor ausbreiten können. So kann ein auf eine Fehlfunktion oder Leckage zurückgehender Gasaustritt unabhängig von dem jeweiligen Ort des Austritts und unabhängig von dem Detektionselement im Bereich der Entlüftungsvorrichtung detektiert werden.In a further practical embodiment of a system according to the invention, the support structure has at least one cavity for receiving and/or discharging fluids that have escaped from the battery cells. The fluids can be both gaseous and liquid fluids. For example, a channel can be provided through which gases can spread unhindered to a gas sensor. In this way, a gas leakage due to a malfunction or leak can be detected regardless of the location of the leakage and regardless of the detection element in the area of the venting device.
Wenn bei einem erfindungsgemäßen System, das eine Tragstruktur aufweist, an der Tragstruktur im Bereich mindestens eines Detektionselements ein Berstabschnitt ausgebildet ist, kann die Sicherheit durch den Berstabschnitt noch zusätzlich erhöht werden. Als Berstabschnitt kann insbesondere ein Berstelement an der Tragstruktur ausgebildet sein, indem an einem diskreten Bereich der Tragstruktur eine verringerte Materialstärke vorgesehen ist. In diesem Fall kann ein Problem, das mittels des Detektionselements erkennbar ist (beispielsweise eine Elektrolyt-Leckage, die nicht aufgrund eines erhöhten Innendrucks in einer Batteriezelle entstanden ist), jedoch nicht unmittelbar zur Zerstörung des Berstabschnitts führt, erkannt und behoben werden, bevor Folgeschäden auftreten, beispielsweise aufgrund von sich in einem Batteriesystem verteilenden Elektrolyts. Es besteht dann die Möglichkeit, den mit dem Detektionselement detektierten Schaden zu beheben, insbesondere bevor der Berstabschnitt versagt.If, in a system according to the invention which has a support structure, a bursting section is formed on the support structure in the region of at least one detection element, the safety can be further increased by the bursting section. In particular, a bursting element can be formed on the support structure as a bursting section by providing a reduced material thickness in a discrete region of the support structure. In this case, a problem which can be detected by means of the detection element (for example an electrolyte leak which did not arise due to increased internal pressure in a battery cell) but does not immediately lead to the destruction of the bursting section can be detected and remedied before subsequent damage occurs, for example due to electrolyte spreading in a battery system. It is then possible to repair the damage detected by the detection element, in particular before the bursting section fails.
Ein weiterer herstellungstechnischer Vorteil eines erfindungsgemäßen Systems kann sich ergeben, wenn das mindestens eine Detektionselement von mindestens zwei Lagen der Trägereinheit umschlossen ist und/oder in der Trägereinheit im Bereich des mindestens einen Detektionselements eine Ausnehmung ausgebildet ist. In diesem Fall können die zwei oder mehr Lagen miteinander verpresst oder anderweitig miteinander verbunden werden, wobei Detektionselemente als frei zugängliche Elemente in der jeweiligen Ausnehmung angeordnet sind. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf Detektionselemente verwiesen, die an einem Draht, einer Leitung oder einem sonstigen Verbindungselement hängend in entsprechenden Ausnehmungen angeordnet sind, indem der Draht, die Leitung oder das sonstige Verbindungselement durch die Ausnehmung gespannt ist. Der Draht, die Leitung oder das sonstige Verbindungselement ist dabei vorzugsweise durch die miteinander verbundenen Lagen der Trägereinheit fixiert.A further manufacturing advantage of a system according to the invention can arise if the at least one detection element is enclosed by at least two layers of the carrier unit and/or a recess is formed in the carrier unit in the region of the at least one detection element. In this case, the two or more layers can be pressed together or otherwise connected to one another, with detection elements being arranged as freely accessible elements in the respective recess. In this context, particular reference is made to detection elements that are arranged in corresponding recesses hanging from a wire, a line or another connecting element, in which the wire, the line or the other connecting element is stretched through the recess. The wire, the line or the other connecting element is preferably fixed by the interconnected layers of the carrier unit.
Eine als Trägereinheit ausgebildete Matte eines erfindungsgemäßen Systems ist vorzugsweise durch Gießen, Extrudieren oder Laminieren hergestellt. Die Herstellung ist nicht nur einfach und kostengünstig möglich, sondern es können auch Trägereinheiten mit besonders geringer Dicke und dementsprechend geringem Bauteilgewicht erzeugt werden.A mat designed as a carrier unit of a system according to the invention is preferably produced by casting, extrusion or lamination. Not only is production simple and cost-effective, but carrier units with a particularly low thickness and correspondingly low component weight can also be produced.
Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems in einer schematischen Seitenansicht, -
2a eine weitere Ausführungsform mit einem an der Tragstruktur im Bereich des mindestens einen Detektionselements ausgebildeten Berstabschnitt, -
2b eine weitere Ausführungsform mit einem Hohlraum zum Aufnehmen und Abführen von aus den Batteriezellen ausgetretenen Fluiden, -
2c eine Darstellung einer Ausführungsform mit zwei Batteriezellen mit schematischer Darstellung einer elektrischen Detektionsschaltung, -
3 eine erste Möglichkeit einer elektrischen Detektionsschaltung mit den Detektionselementen eines erfindungsgemäßen Systems -
4 eine weitere Möglichkeit einer elektrischen Detektionsschaltung mit den Detektionselementen eines erfindungsgemäßen Systems, -
5 eine weitere Möglichkeit einer elektrischen Detektionsschaltung mit den Detektionselementen eines erfindungsgemäßen Systems, -
6a eine Schnittdarstellung gemäß der Linie A-A in5 durch eine erste Variante einer als Matte ausgebildeten Trägereinheit, -
6b eine Schnittdarstellung gemäß der Linie A-A in5 durch eine zweite Variante einer als Matte ausgebildeten Trägereinheit und -
7 eine weitere Möglichkeit einer Anordnung der Detektionselemente eines erfindungsgemäßen Systems, die elektrisch so verschaltet sind wie in der Ausführungsform gemäß5 .
-
1 a first embodiment of a system according to the invention in a schematic side view, -
2a a further embodiment with a bursting section formed on the support structure in the region of the at least one detection element, -
2 B a further embodiment with a cavity for receiving and draining fluids leaking from the battery cells, -
2c a representation of an embodiment with two battery cells with a schematic representation of an electrical detection circuit, -
3 a first possibility of an electrical detection circuit with the detection elements of a system according to the invention -
4 another possibility of an electrical detection circuit with the detection elements of a system according to the invention, -
5 another possibility of an electrical detection circuit with the detection elements of a system according to the invention, -
6a a sectional view along the line AA in5 by a first variant of a carrier unit designed as a mat, -
6b a sectional view along the line AA in5 by a second variant of a carrier unit designed as a mat and -
7 another possibility of arranging the detection elements of a system according to the invention, which are electrically connected as in the embodiment according to5 .
Die Unterseite und die Oberseite des Zellgehäuses 26 sind polfreie Gehäuseseiten. An der polfreien unteren Gehäuseseite ist eine Entlüftungsvorrichtung 11 vorgesehen, die sich über einen Teil der unteren Gehäuseseite erstreckt. Die Entlüftungsvorrichtung 11 ermöglicht es, dass im Falle eines Druckanstiegs innerhalb des Zellgehäuses 26 Gase aus dem Inneren des Zellgehäuses 26 herausströmen können. Flüssigkeiten sollen die Entlüftungsvorrichtung 11 beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezelle 10 nicht passieren und innerhalb des Zellgehäuses 26 verbleiben. Bei Materialermüdung, Fertigungsfehlern, defekter Entlüftungsvorrichtung 11 oder einer sonstigen Undichtigkeit in dem Bereich um die Entlüftungsvorrichtung 11 kann es dennoch zu einem unerwünschten Austreten von Flüssigkeit kommen, insbesondere von Elektrolyt.The bottom and top of the
Das Zellgehäuse 26 ist in der gezeigten Ausführungsform auf einer Tragstruktur 12 angeordnet. Zwischen der Tragstruktur 12 und der unteren Gehäuseseite des Zellgehäuses 26 ist eine Trägereinheit 13 angeordnet. Teil der Trägereinheit 13 ist ein Detektionselement 14, das in diesem Ausführungsbeispiel ein separates Indikatorelement 14a aufweist. Das Detektionselement 14 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine elektrische Leitung 27 mit einer Signalvorrichtung 22 und über die Signalvorrichtung 22 mit einem Batterie-Management-System 23 verbunden. Die Signalvorrichtung 22 und das Batterie-Management-System 23 bilden gemeinsam eine Auswerteeinheit 24, mittels welcher Veränderungen an dem Detektionselement 14 feststellbar sind.In the embodiment shown, the
Wie in
Das Detektionselement 14 ist in der gezeigten Ausführungsform unmittelbar unterhalb der Entlüftungsvorrichtung 11 derart angeordnet, dass Flüssigkeiten, die aufgrund einer undichten Entlüftungsvorrichtung 11 oder aufgrund sonstiger technischer Probleme, durch die Entlüftungsvorrichtung 11 oder unmittelbar neben der Entlüftungsvorrichtung 11 aus dem Zellgehäuse 26 austritt, zwangsläufig mit dem Detektionselement 14 in Kontakt tritt. Dabei ist das Detektionselement 14 so ausgebildet, dass mit Hilfe der Auswerteeinheit 24 der Austritt von Flüssigkeiten mit dem Detektionselement 14 detektierbar ist. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass sich der elektrische Widerstand des Detektionselements 14 bei Kontakt mit einer Flüssigkeit ändert und eine solche Änderung in einer entsprechenden Detektionsschaltung detektierbar ist.In the embodiment shown, the
In der gezeigten Ausführungsform ist das Detektionselement 14 Teil einer Matte 28 und in diese Matte 28 eingebettet. Die Matte 28 ist bevorzugt so gestaltet, dass mit der Matte 28 eine sichere Verbindung zwischen dem Zellgehäuse 26 der Batteriezelle 10 und der Tragstruktur 12 hergestellt wird, insbesondere durch eine klebende Wirkung und/oder durch eine Oberflächenstruktur mit Lotus-Effekt. Die Matte 28 ist weiter bevorzugt aus einem Material hergestellt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um Wärme von der Batteriezelle 10 gut abführen zu können. Ferner sind in der Matte 28 vorzugsweise elektrisch leitende Elemente eingebettet, um das mindestens eine Detektionselement 14 mit der Auswerteeinheit 24 und optional mit weiteren Detektionselementen 14 zu verbinden.In the embodiment shown, the
Die
Die Ausführungsformen gemäß
Bei der Ausführungsform gemäß
Bei der Ausführungsform gemäß
In den
Bei der in
Bei der in
Die Ausführungsform aus
Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Komplexität der Detektionsschaltungen noch weiter erhöht werden kann, insbesondere indem für jede Batteriezelle 10 oder für je zwei Batteriezellen 10 oder je drei Batteriezellen 10 eine Detektionsschaltung vorgesehen ist, ggf. jeweils mit der Möglichkeit, nur die gemeinsam mittels Detektionsschaltung verbundenen Batteriezellen 10 teilabzuschalten, wenn eine Störung oder eine Gefahr detektiert worden ist oder droht.For the sake of completeness, it is pointed out that the complexity of the detection circuits can be increased even further, in particular by providing a detection circuit for each
In den
Die Ausführungsform gemäß
Bei der in
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.The features of the invention disclosed in the present description, in the drawings and in the claims can be used individually or also in any combinations are essential for the realization of the invention in its various embodiments. The invention can be varied within the scope of the claims and taking into account the knowledge of the competent person skilled in the art.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- BatteriezelleBattery cell
- 1111
- EntlüftungsvorrichtungVentilation device
- 1212
- TragstrukturSupporting structure
- 1313
- TrägereinheitCarrier unit
- 13a13a
- TeilschichtSub-layer
- 13b13b
- TeilschichtSub-layer
- 13c13c
- TeilschichtSub-layer
- 1414
- DetektionselementDetection element
- 14a14a
- separates Indikatorelementseparate indicator element
- 1515
- Batterie-Management-SystemBattery management system
- 1616
- UnterfahrschutzraumUnderrun protection space
- 1717
- GassensorGas sensor
- 1818
- Bodenplatte des UnterfahrschutzesBase plate of the underrun protection
- 1919
- BerstabschnittBurst section
- 2020
- BatteriesystemBattery system
- 2121
- BatteriemodulBattery module
- 2222
- SignalverarbeitungsvorrichtungSignal processing device
- 2323
- Batterie-Management-SystemBattery management system
- 2424
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 2525
- Polpole
- 2626
- ZellgehäuseCell housing
- 2727
- elektrische Leitungelectrical line
- 2828
- Mattemat
- 2929
- Kanalchannel
- 3030
- FreimachungClearance
Claims (6)
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-
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