EP4533582A1 - Verfahren und vorrichtung zur physisch kontaktlosen ermittlung eines sicherheitskritischen zustands eines elektrochemischen energiespeichers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur physisch kontaktlosen ermittlung eines sicherheitskritischen zustands eines elektrochemischen energiespeichers

Info

Publication number
EP4533582A1
EP4533582A1 EP23732338.1A EP23732338A EP4533582A1 EP 4533582 A1 EP4533582 A1 EP 4533582A1 EP 23732338 A EP23732338 A EP 23732338A EP 4533582 A1 EP4533582 A1 EP 4533582A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
value
gradient
limit value
instantaneous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23732338.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Gschwandtner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rosenbauer International AG
Original Assignee
Rosenbauer International AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rosenbauer International AG filed Critical Rosenbauer International AG
Publication of EP4533582A1 publication Critical patent/EP4533582A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0096—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for measuring wires, electrical contacts or electronic systems

Definitions

  • the invention relates to a method for the physically contactless determination of a safety-critical state of at least one electrochemical energy storage device which is arranged in a housing, according to the preamble of claim 1, and a portable device for carrying out the method, according to the preamble of claim 11.
  • monitoring arrangements for monitoring the temperature during charging or discharging in order to detect abnormal operating states and to be able to take appropriate countermeasures.
  • Such monitoring arrangements are integrated into electric vehicles and integrated into the vehicle electronics. These systems cannot be used by emergency services for external monitoring, especially in emergencies such as an accident, fire or the like. Furthermore, the monitoring arrangements integrated in the vehicle can be damaged by accidents or fires, meaning that their function can no longer be guaranteed.
  • US10953250B2 discloses a fire-fighting arrangement for a stationary energy storage system, which also has at least one fire-fighting device in a protective housing in addition to an electrochemical energy storage device.
  • An image recognition arrangement is stationarily positioned outside the protective housing and includes an evaluation unit in which fire in the housing can be determined from the image material. In this case, the fire fighting device is activated until the image recognition arrangement can conclude that the emergency has ended.
  • a method for responding to a fire-critical battery condition in a motor vehicle is disclosed in US10960246B2. From the at least one battery of the motor vehicle, a battery temperature is continuously recorded within the vehicle by means of at least one temperature sensor present in or on the battery. Based on the continuously recorded battery temperature and checking whether the determined temperature change exceeds a predetermined limit value that defines a fire-critical battery condition, at least one vehicle function is activated to carry out a protective measure and/or warning measure.
  • an early fire warning and elimination system which works based on an infrared thermal image.
  • An infrared thermal imaging camera is connected to an image analysis control that controls a fire alarm and link control. On the one hand, this is connected to the control of the monitored device and also to a fire-fighting device.
  • the temperature data is analyzed, in which the infrared thermal image is divided into several areas according to the temperature data and the area in which the normal operating temperature is exceeded is selected as the target field. For this target field, the difference between the temperature of the target field and the normal operating temperature of the monitored device is calculated in a temperature comparison submodule and a fire alarm signal and/or a fire elimination control signal is sent.
  • a change curve of the difference between the target field temperature and the ambient temperature is determined within a predetermined time and if the change curve continues to increase and the difference is greater than the first temperature threshold this was taken as a sign of a fire in the target field. If the curve continues to rise and the difference is between the first temperature threshold and the second temperature threshold, this is considered a sign of a potential fire. Finally, if the curve is stable and the difference is less than the second temperature threshold, with the first temperature threshold not less than the second temperature threshold, the system has no fire in the target field.
  • the object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a device and a method by means of which ongoing dynamic monitoring of an electrochemical energy storage device, in particular a drive battery for electric vehicles, is carried out automatically and without permanently binding a user safety-critical conditions can be carried out.
  • the method according to the invention comprises the steps a) contactless detection and storage of at least one instantaneous value of the temperature of at least one point on the outside of the housing, and comparison of the recorded instantaneous value with a predetermined limit value of the temperature for this point, whereby b) a warning signal is output when the limit value is exceeded and c) if the instantaneous value is below the limit value, a temperature gradient is determined for this point, whereby d) if the temperature gradient is greater than or equal to a gradient limit value, a warning signal is also issued, and e) if the temperature gradient is less than the gradient limit value again Steps a) to e) are carried out.
  • An advantageous variant of the method provides that f) instantaneous temperature values are recorded at several points on the outside of the housing, whereby if the limit value of the temperature is exceeded at at least one point a warning signal is issued, and where g) if the instantaneous value is below the limit value at all points, the respective temperature gradient between the instantaneous values recorded at the respective point is determined for all points, h) if the temperature gradient is greater than or equal to a gradient limit value at at least one point a warning signal is issued, and i) if the temperature gradient is less than the gradient limit value, steps f) to i) are repeated at all points.
  • the instantaneous values of a first group of preferably neighboring locations are processed separately from the instantaneous values of one or more further groups of other locations, at least for the most part located spatially outside the first group.
  • the first group preferably contains the point with the highest instantaneous value and/or with the largest temperature gradient.
  • a further variant of the method is characterized in that several groups are formed corresponding to different zones or modules of the energy storage.
  • At least one of the further groups may comprise a concentric ring around one or more inner groups.
  • Another method variant according to the invention provides that the gradient limit value for at least the point with the highest value depends on the course of the instantaneous values, preferably starting with the first recorded instantaneous value, and preferably also depending on the limit value of the temperature, before each new one Acquisition of an instantaneous value is adjusted.
  • the gradient limit value is determined as a function of the last recorded instantaneous value and a threshold value for the next temperature value to be recorded, the threshold value depending on the course of the instantaneous values, preferably back to the first recorded instantaneous value at this point. and preferably also depending on the temperature limit.
  • a preferred procedure is furthermore that the gradient limit value or threshold value is determined for each point based on the instantaneous values at the point with the highest temperature and/or with the highest gradient.
  • the ambient temperature of the respective location is advantageously recorded at least before the threshold value is determined and the threshold value is adjusted depending on the ambient temperature.
  • a further embodiment provides that the predetermined limit value and/or the gradient limit value is adjusted depending on parameters that are characteristic of the respective monitored electrochemical energy storage device.
  • At least the detection at at least one point on the outside of the housing is supported by parameters of the electrochemical energy storage that are characteristic of the respective monitored electrochemical energy storage, with a structural shape and / or arrangement of the electrochemical energy storage in the housing is taken into account.
  • This measure has the advantage that the method can be limited to those areas where the energy storage is actually located and thus a measuring range can be reduced or optimized.
  • a portable device for the physically contactless determination of a safety-critical state of at least one electrochemical energy storage device which is arranged in a housing, at least comprising at least one housing, operating elements and / or interfaces for user input, at least one output unit for at least one Warning signal, and a) at least one sensor for at least intermittent, contactless detection of at least one instantaneous value of the temperature at least at one point on the outside of the housing, b) at least one storage unit, which is used to store the instantaneous values, their time stamp, a predeterminable limit value of the temperature and a gradient limit value is designed, b) at least one evaluation unit which is designed to carry out the method according to at least one of the preceding paragraphs.
  • the system makes it possible, for example, to detect an escalating battery before the fire propagates into an uncontrollable scenario. On the other hand, the unnecessary deletion of intact batteries is avoided.
  • At least one sensor is preferably formed by a thermal imaging camera.
  • cameras with a large opening angle will be used in order to be able to observe the entire housing with a few lenses and/or from as short a distance as possible.
  • An optical alignment aid is preferably integrated in or on the device. This configuration enables simplified positioning of the device for the emergency services, since its detection area can be signaled to a user.
  • the alignment aid can be displayed on a monitor or can also be projected onto the housing, for example by means of means provided on the device.
  • manufacturer-specific parameters for electrochemical energy storage can be stored in the storage unit.
  • the advantage here is that different limit values, depending on the manufacturer's information, can be taken into account for the energy storage, which ensures a more precise measurement.
  • the shape and size of the energy storage can be taken into account, which means that the measuring ranges can be adjusted.
  • the alignment aid can be adapted with regard to these parameters, for example to the shape of the energy storage device.
  • an orientation and/or position of the device with respect to the electrochemical energy storage can be stored in the storage unit.
  • the deposit can take place through user input, but can also be determined by the device itself.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a preferred application of a device according to the invention and its basic functional units
  • Fig. 2 is a schematic representation of the most important electronic assemblies of the device according to the invention and their connections;
  • Fig. 3 is a schematic representation of the functional principle of the device in use according to Fig. 1;
  • FIG. 4a representing the simplest variant
  • FIG. 4b a variant with adjustment of the gradient limit value
  • Fig. 5 is a schematic representation of the functional principle using clustering.
  • the device 1 shows a portable device 1 according to the invention, as it is placed near an electric vehicle 2 by emergency services in an emergency in order to specifically monitor the battery 3 used to drive the vehicle 2 and to determine any safety-critical condition.
  • the device 1 can be used for monitoring Any electrochemical energy storage device can be used, which is arranged within a housing and is not immediately visible and accessible.
  • the device 1 comprises at least one housing to which operating elements 4 and/or interfaces for user input are provided or can be coupled, for example to call up functions, enter parameters, or the like. Furthermore, there is at least one output unit 5 for at least one optical and/or acoustic Warning signal integrated, as well as possibly a monitor 6, among other things for displaying the entered values, for displaying a menu for the functions, for displaying the field of view of the sensors, etc. Furthermore, the warning signal can also be haptic or tactile, for example by means of vibrations.
  • At least one sensor 7 is present for at least intermittent, contactless detection of at least one instantaneous value of the temperature at at least one point on the outside of the housing of the electrochemical energy storage, in particular in the example shown on the outside of the body, or a supporting structure such as the chassis of the vehicle 2 and/or the immediately adjacent environment, the temperature of which changes proportionally as a result of the temperature of the battery 3.
  • the recording of the instantaneous values can be done discontinuously at certain time intervals, which results in a smaller amount of data to be processed.
  • the intervals between the detection of the instantaneous values can also be adjusted if necessary, for example in the case of high temperatures and/or gradients to ensure shorter-term temperature detection for increased accuracy in monitoring the electrochemical energy storage.
  • continuous recording is also possible, which provides very large amounts of data but also offers the highest level of accuracy.
  • At least one of the sensors 7 can be formed by a thermal imaging camera, preferably with the largest possible opening angle. This is advantageous in order to be able to monitor the entire battery 3 and all of its cells 3a with the smallest possible number of sensors 7 despite the positioning being as close as possible to the vehicle 2.
  • At least one temperature detector is present, which is set up to thermographically determine at least a first temperature value of at least a first measuring field of any extent, which can also be a single, narrowly defined measuring point, with respect to the at least one housing at several points in time.
  • Further sensors that are advantageously integrated or can be coupled can record the location and position of the device 1, the ambient temperature and other chemical-physical values, for example gases characteristic of certain states.
  • an optical alignment aid is advantageously available, for example a grid visible on the monitor 6, a crosshair, a laser aiming device or the like.
  • the device 1 further comprises at least one storage unit 8 for storing the temperature values of the at least one measuring field or the measuring point determined thermographically using the temperature detector.
  • the storage unit 8 is preferably designed to store the instantaneous values, their time stamp, a predeterminable temperature limit and a gradient limit.
  • the term temperature value can include a temperature field, a current point value, a maximum value in a certain time interval, etc., in particular also the results of calculations from several values.
  • the device 1 is equipped with at least one evaluation unit 9, which is connected to the storage unit 8, the operating elements 4, and the output unit 5.
  • the evaluation unit 9 receives the sensor signals and/or queries the stored data, processes them and thus monitors the time course of the temperature of the battery 3 indirectly via the temperature of the relevant points on the vehicle 2. When a certain temperature is exceeded or a certain temperature is exceeded gradient, the evaluation unit 9 controls the output unit 5 to generate a warning, and if necessary also displays a corresponding warning message on the monitor 6.
  • An integrated data interface preferably for wireless data transmission such as via GSM, allows the temperature curve(s) to be logged in an operations center, in which the warning messages are then preferably also sent to ensure double security in case the warning messages are not registered at the emergency site.
  • the operations center can independently support the emergency services on site by taking the next steps.
  • the messages from the device 1 can also be transmitted to specific users, for example the operations manager, via the data interface.
  • a unique identifier of the respective device is transmitted with each data transmission, preferably also a position report.
  • several devices 1 can be provided which measure the same or different electrochemical energy stores, whereby a clear assignment of the warning signal to the respective device is advantageous.
  • the data interface can also be used to control the device 1 via wireless units, to make inputs via them, or to use the wireless unit as an external display unit. Mobile phones, tablets or the like can be used as such units for remote control and query.
  • the storage unit 8 and/or the evaluation unit 9 could also be arranged separately from the unit that monitors the electrochemical energy storage, for example the battery 3 of a vehicle 2. This means that these valuable and sensitive assemblies are better protected against all thermal and/or mechanical stresses at the emergency scene. On the other hand, it is usually desired to keep the data transfer as low as possible and to ensure interference-free over the shortest possible distances, which means that the storage unit 8 and evaluation unit 9 are integrated together with the other assemblies 4, 5, 6 and 7 in a jointly manageable, portable and positionable device makes it advantageous.
  • the device 1 with all its systems such as sensors, evaluation, etc. is designed independently of an external power supply, and is preferably supplied with the necessary energy to operate all systems via batteries, rechargeable accumulators or integrated power generators.
  • the device 1 can, for example, have means for a distance measurement in order to determine the distance between the device 1 and the housing or the electrochemical energy storage device.
  • the distance can be included in the method for determining the state of the electrochemical energy storage device.
  • the device can be designed so that manufacturer-specific parameters for electrochemical energy storage are stored in the device, preferably in the storage unit. Using the parameters, the method can be optimized in such a way, for example, to obtain specific maximum temperature values for the respective energy storage device.
  • the orientation and/or position of the device 1 relative to the electrochemical energy storage or its housing can be entered in the device. E.g. from which side the energy storage is measured.
  • rough alignments can be provided/stored, which can be selected by a user.
  • the device can be designed to determine the position of a housing or vehicle to be detected using optical sensors, for example using comparison images to determine whether the vehicle is viewed from the front, rear, top, bottom or right or left side is measured.
  • the device is preferably placed on the ground next to a vehicle 2 to be monitored, with adjustable feet, tripod-like substructures or the like being available for uneven or inclined surfaces in order to optimally support the device 1 in relation to to be able to align the vehicle 2, which concerns the barrier-free detection field for the battery 3, but also the inclination around three orthogonal axes. As indicated in the schematic representation of FIG.
  • the image from, for example, thermal imaging cameras as sensors 7 results in a distorted projection, but the point 10 of the maximum temperature of the battery 3 of the vehicle 2 and the area 11 have a slightly lower temperature the point 10 around, as well as the even cooler area 12 of the underside of the body of the vehicle 2 can be clearly and clearly recognized and recorded in a dimension that allows a good evaluation of the temperatures of the point 10 and the areas 11 and 12 with regard to the maximum values as well the temporal behavior allows.
  • the thermal image 14 determined by the temperature detection unit is shown schematically in FIG. 3, as well as a theoretical image of the vehicle 2 compared if the vehicle 2 were viewed from below. As can be seen, the thermal image 14 is compressed or smaller than the view from below due to the arrangement of the device 1 to the vehicle 2, but the ratio of the individual areas and their temperature profile remain the same.
  • the method according to the invention for the physically contactless determination of a safety-critical state of at least one electrochemical energy storage device which is arranged in a housing will now be explained in more detail below, which is preferably in the form of an algorithm or computer program product and which is implemented in the evaluation unit 9 of the device 1 is.
  • the basic variant of this method is shown in Fig. 4a in the form of a flow chart.
  • At least one instantaneous value of the temperature is recorded and stored in a contactless manner at at least one location on the outside of the housing, i.e. preferably on the vehicle structure immediately adjacent to the battery 3.
  • the location 10 with the maximum temperature is preferably determined and selected as the location for the further process steps.
  • the evaluation unit 9 a comparison of the instantaneous value recorded during the respective measurement is now carried out with a predetermined limit value of the temperature for this location, which is entered into the storage unit 8 via the operating elements 4 or is permanently written into the storage unit.
  • a device 1 parked on the ground next to a vehicle 2 results in a perspectively compressed image of the base plate of the vehicle 2 and the adjoining side of the Vehicle 2 also the floor underneath the vehicle 2.
  • the temperature values are still easy to record, as is the temperature distribution, especially over the length of the vehicle 2 and also the time course of the temperature values.
  • a warning signal is issued by the warning device 5.
  • this typically means that the battery has escalated or is about to escalate and that appropriate countermeasures must now be taken. In this case, monitoring can then be stopped. If the instantaneous value for the determined temperature does not reach this limit value at any point on the vehicle 2, monitoring continues and a temperature gradient for the point under consideration is determined in the evaluation unit 9.
  • the next step is to compare this determined temperature gradient with a gradient limit value entered or predetermined in the memory unit 8, whereby a warning signal is also issued in the event that the current temperature gradient is greater than or equal to the limit value.
  • a warning signal is also issued in the event that the current temperature gradient is greater than or equal to the limit value.
  • this typically also means that the battery is about to escalate and that appropriate countermeasures must now be taken and the monitoring can be ended.
  • the steps described are run through again after a predetermined period of time or one that can be specified via the operating elements 4, starting with the determination of the new instantaneous value of the temperature at the warmest point 10 on the housing for the electrochemical Energy storage.
  • the individual cells 3a of the battery 3 can develop differently, also depending on the environmental conditions, in particular in the event of vehicle fires, instantaneous temperature values are obtained directly at several points on the outside of the housing, i.e. that of the battery 3, via the sensors 7 with a large detection range adjacent areas of the body of the vehicle 2, whereby if the temperature limit is exceeded, a warning signal is issued at at least one point.
  • a warning signal can also be specified for each individual point or a universal limit value that is the same for all points in relation to the temperature gradient.
  • the temperature and the temperature gradient are typically preferably determined at several points on the housing of the electrochemical energy storage device, a variant of the method is often advantageous in which the instantaneous values of a first group of locations are separated from the instantaneous values of one or more further groups of other locations are processed.
  • a first group, a first cluster CI can contain the location with the highest instantaneous value as well as those locations that are within a predetermined spatial distance and/or within a predetermined temperature difference to the location with the highest instantaneous value of the temperature.
  • the temperature gradient can also be used as an alternative or supplementary criterion for group formation, with a first group, a first cluster CI, also containing the point with the highest value of the temperature gradient as well as those points that are within a predetermined spatial distance and/or within a predetermined difference in the gradient values.
  • Further groups or clusters C2, C3 are then formed by the locations that lie in further temperature intervals or intervals of the temperature gradient values around the first group, which typically leads to clusters arranged in a ring around the first, then innermost group.
  • Such an arrangement can also be created by the algorithm implemented in the evaluation unit 9 device 1, which can be designed to create at least one of the further groups as an optionally concentric ring around one or more inner groups and to determine the corresponding points of temperature determination
  • a cluster formation can be specified via the algorithm and models of the temperature distribution in electrochemical energy storage devices, such as preferably the batteries in electric vehicles, in which several groups are formed corresponding to different zones or modules of the energy storage system.
  • the cluster CI can include the battery 3, i.e. the location 10 with the highest instantaneous value and/or with the largest temperature gradient as well as the immediately surrounding area 11.
  • a second cluster C2 typically includes the remaining underside of the vehicle, i.e. the area 12 in Fig. 3, and a third cluster C3 the immediate surroundings 13 of the underside of the vehicle 2, the temperature values of which of course also influence the temperature development of the battery 3 in the vehicle 2.
  • the first cluster CI is preferably placed or expanded spatially in such a way that it includes both points.
  • a further advantageous variant of the method according to the invention provides that the gradient limit value relevant for assessing the risk of an escalation of the electrochemical energy storage device is adjusted for at least the point with the highest value depending on the course of the instantaneous values of the gradient before each new detection of an instantaneous value .
  • a corresponding flowchart is shown in Fig. 4b. This allows for changing environmental conditions that influence the temperature profile on or in the housing, for example the body of the vehicle 2 containing the battery 3.
  • the entire course since the beginning of monitoring of the electrochemical energy storage is used for the calculation of the gradient limit value, i.e. starting with the first recorded instantaneous value, and preferably also depending on the typically fixed limit value of the temperature.
  • a variant is optimal in which this procedure is selected for at least the point with the highest value of the gradient limit value.
  • the algorithm implemented in the evaluation unit 9 calculates the gradient limit value as a function of the last detected instantaneous value of the temperature at the respective location of the housing and a threshold value for the next temperature value to be detected at exactly this location.
  • the respective threshold value is preferably not stored in a fixed manner, but is always determined anew by an algorithm in the evaluation unit 9 determining the threshold value depending on the course of the instantaneous temperature values. Values back to the first recorded instantaneous value are preferably used at this point.
  • the temperature limit value is also included in the calculation of the threshold value.
  • the gradient limit or threshold value is determined for each location based on the instantaneous values at the location with the highest temperature and/or with the highest gradient.
  • the ambient temperature of the respective location can be recorded at least before the threshold value is determined.
  • the algorithm implemented in the evaluation unit 9 can then use this further temperature value in a further variant to adjust the threshold value depending on the ambient temperature.
  • the method according to the invention for determining a first threshold value for the first temperature value of the first measuring field includes the determination of a first temperature value by the sensor 7 and the evaluation unit 9.
  • a threshold value for a second, subsequent temperature value is calculated, for which certain calculation rules and / or maps are specified in the evaluation unit 9.
  • the start of the relevant time interval can be the time of activation of the device 1, but can also be later, in terms of time, in order to enable all systems of the device to be completely started up and all measuring circuits and sensors to level off.
  • the course of all temperature values determined in the time interval under consideration can also be included in the calculation of the threshold value, which is used with the first temperature value to determine the gradient limit value, preferably chronologically continuously and starting with the first point in time of the time interval before the first threshold value, around which Threshold value for the next point in time depending on a temperature dynamic of the first temperature values.
  • a warning message can also be issued by the device if the first threshold value is exceeded during the next temperature determination.
  • a method is provided in which the sensor 7 or an arrangement of several such sensors simultaneously detects at least a second temperature value from at least a second measuring field at the first point in time and the subsequent times of the time interval.
  • the second measuring field is controlled by the evaluation unit 9 so that it encompasses at least a region of the housing and at least a partial measuring region of the second measuring field is arranged outside the first measuring field.
  • the recorded second temperature values of the time interval are then stored in the storage unit, the recorded at least one first temperature value is compared with the at least one second temperature value at the same times using the evaluation unit, and here too the first threshold value is adjusted depending on the second temperature values respective time of the time interval.
  • the environment of the housing of the electrochemical energy storage device for example the environment of a vehicle 2, is also preferred a drive battery 3, taken into account.
  • cooling influences such as a wet or cold environment
  • heating influences such as a vehicle fire or a fire in the area surrounding the vehicle 2
  • an ambient temperature is automatically determined via the device 1 and the threshold value is adjusted according to predeterminable or pre-programmed algorithms depending on the detected ambient temperature.
  • the first measuring field is divided into clusters, with individual cluster areas of the cluster advantageously being provided with respect to individual zones (modules) of the electrochemical energy storage.
  • the cluster area which has the highest temperature values is preferably used to determine and adjust the first threshold value - and to compare the first temperature values.
  • a calculation can be carried out using a cluster segment, while only the remaining cluster is monitored. If the relative temperature levels within the cluster change, the area of calculation and that of pure monitoring can also change, i.e. jumping from one cluster area to the other.
  • a second, chronologically subsequent threshold value with respect to the first temperature value is preferably determined via the evaluation unit 9 in such a way that a group of first temperature values is compared with the second threshold value at several points in time and the temperature detection unit issues a warning message when the second threshold value is exceeded.
  • each measuring field or each point for temperature determination can be adjustable with regard to a length and a width of a detection area.
  • position marking aids can be used as aids for the alignment of the device 1 or for sensors 7 whose orientation can be changed relative to the device 1.
  • a position marking could be projected onto the housing or there is a position marking, such as a grid, crosshairs or the like, on a display of the temperature detection unit applied or is displayed here.
  • the position marking advantageously comprises an outline of the at least one first measuring field.
  • the device 1 is set up to issue a message if at least one of the following criteria is met: the first and second temperature values of the first and second measuring fields are outside a tolerance with respect to the two temperature values and / or the energy supply to the device is insufficient for one Correct or complete recording of the required values or insufficient for further operation, or even if the temperatures recorded within a measuring field are outside a permissible tolerance.
  • An advantageous development of the method can offer a functionality for the all-clear in order to signal to the emergency services or other users by means of an all-clear signal that differs from the previously mentioned warning signals that the danger of an escalation of the electrochemical energy storage no longer exists.
  • an algorithm implemented therein checks in the evaluation unit 9 of the device 1 whether the threshold value for the temperature has been reduced at several successive points in time or whether the gradient limit value has correspondingly become smaller and smaller. It can advantageously be specified after how many adjustments to smaller temperature threshold values or lower limit values this all-clear signal is issued in order to cushion non-random fluctuations or changes in the surrounding values.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur physisch kontaktlosen Ermittlung eines sicherheitskritischen Zustands zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers, der in einem Gehäuse angeordnet ist, umfassend die Schritte a) kontaktloses Erfassen und Speichern zumindest eines Momentanwertes der Temperatur zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses mittels eines Sensors (7), und Vergleich des erfassten Momentanwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert der Temperatur für diese Stelle in einer Auswerteeinheit (9), wobei b) bei Überschreiten des Grenzwertes ein Warnsignal ausgegeben wird, und c) bei unterhalb des Grenzwertes liegendem Momentanwert ein Temperaturgradient für diese Stelle bestimmt wird, wobei d) bei einem Temperaturgradienten grösser oder gleich einem Gradienten-Grenzwert ebenfalls ein Warnsignal ausgegeben wird, und e) bei einem Temperaturgradienten kleiner dem Gradienten-Grenzwert erneut die Schritte a) bis e) durchlaufen werden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR PHYSISCH KONTAKTLOSEN ERMITTLUNG EINES SICHERHEITSKRITISCHEN ZUSTANDS EINES ELEKTROCHEMISCHEN ENERGIESPEICHERS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur physisch kontaktlosen Ermittlung eines sicherheitskritischen Zustands zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers, der in einem Gehäuse angeordnet ist, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine tragbare Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
In vielen Systemen mit Batterien oder Akkumulatoren sind Anordnungen zur Überwachung der Temperatur während des Ladens oder Entladens vorhanden, um abnormale Betriebszustände zu detektieren und entsprechende Gegenmassnahmen einleiten zu können. So sind in Elektrofahrzeugen derartige Überwachungsanordnungen integriert und in die Fahrzeugelektronik eingebunden. Für eine externe Überwachung, insbesondere in Notfällen wie einem Unfall, einem Brand od. dgl. sind diese Systeme durch die Einsatzkräfte nicht nutzbar. Ferner kann die im Fahrzeug integrierten Überwachungsanordnungen durch Unfälle oder Brände beschädigt werden, wodurch deren Funktion nicht mehr gewährleistet ist.
In diesen Fällen ist es von besonderer Wichtigkeit einfach und rasch festzu stellen, ob eine oder mehrere Zellen der Fahrzeugbatterie thermisch durchgehen. Da beispielsweise zerstörte Separatoren einen exothermen Prozess zur Folge haben, können sich bei einer Propagation sehr viele exotherme Prozesse unmittelbar hintereinander reihen und führen so zu einer Erwärmung des Batteriegehäuses innerhalb einer bestimmten Zeit. Einerseits soll das Schadensausmaß durch Propagation gering gehalten werden, andererseits ist es aber das Ziel möglichst zuverlässig keinen sicheren Akku zu löschen, was Kollateralschäden verursachen könnte und sehr viel Wasserbedarf mit sich bringt.
Die Erwärmung von Bereichen über einen längeren Zeitraum kann mittels Hand-Thermalka- mera im Notfall nicht ermittelt werden, weil die Temperatur von einer Person abgelesen werden muss und eine dringend für den Lösch- oder Rettungseinsatz erforderliche Einsatzkraft binden würde. Da überdies nur punktuelle Ablesung möglich ist, können keine Auswertungen für grössere Bereiche erfolgen. Überdies ist die Dokumentierung der Zeitpunkte der Messungen durch eine Einsatzkraft problematisch da mit Ungenauigkeit behaftet, insbesondere im herausfordernden Einsatzfall. Die Veränderung der Temperatur über Zeit muss dann noch in einem extra Schritt für jeden Messpunkt berechnet und interpretiert werden. Auch kann eine kritische Absoluttemperatur nicht definiert werden, da hier der Einfluss von Fahrzeug und Umwelt zu groß ist.
In der US10953250B2 ist eine Feuerbekämpfungsanordnung für ein stationäres Energiespeichersystem offenbart, welches in einem Schutzgehäuse neben einem elektrochemischen Energiespeicher auch zumindest eine Feuerbekämpfungsvorrichtung aufweist. Ausserhalb des Schutzgehäuses ist stationär eine Bilderkennungsanordnung positioniert, die eine Auswerteinheit umfasst, in der aus dem Bildmaterial auf Feuer im Gehäuse ermittelt werden kann. In diesem Fall wird die Feuerbekämpfungsvorrichtung aktiviert, solange bis die auf Bilderkennungsanordnung die Beendigung des Notfalls schliessen kann.
Ein Verfahren zum Reagieren auf einen brandkritischen Batteriezustand in einem Kraftfahrzeug ist in der US10960246B2 offenbart. Von der wenigstens einen Batterie des Kraftfahrzeugs wird fahrzeugintern fortlaufend eine Batterietemperatur mittels wenigstens eines in oder an der Batterie vorhandenen Temperatursensors erfasst. Anhand der fortlaufend erfassten Batterietemperatur und Überprüfung, ob die ermittelte Temperaturveränderung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, der einen brandkritischen Batteriezu stand definiert, wird wenigstens eine Fahrzeugfunktion zum Durchführen einer Schutzmaßnahme und/oder Warnmaßnahme angesteuert.
In der CN102568146A ist ein Brandfrühwam- und Brandfrühbeseitigungssystem offenbart, das auf der Grundlage eines Infrarot- Wärmebildes arbeitet. Eine Infrarot- Wärmebildkamera ist mit einer Bildanalysesteuerung verbunden, die eine Feuerwam- und Verknüpfungssteuerung ansteuert. Diese ist einerseits mit der Steuerung der überwachten Vorrichtung als auch mit einer Vorrichtung zur Brandbekämpfung verbunden. Im Rahmen der Bildanalyse der Wärmebildkamera werden die Temperaturdaten analysiert, in deren Rahmen Infrarot-Wärme- bild in mehrere Bereiche entsprechend den Temperaturdaten unterteilt und als Zielfeld der Bereich ausgewählt wird, in dem die normale Betriebstemperatur überschritten wird. Für dieses Zielfeld wird in einem Temperaturvergleichsuntermodul die Differenz zwischen der Temperatur des Zielfeldes und der normalen Betriebstemperatur der überwachten Vorrichtung berechnet und ein Brandalarmsignal und/oder ein Brandbeseitigungskontrollsignal gesendet. Weiters wird eine Änderung skurve der Differenz zwischen der Zielfeldtemperatur und der Umgebungstemperatur innerhalb einer vorbestimmten Zeit ermittelt und wenn die Änderungskurve weiter ansteigt und die Differenz größer als der erste Temperaturschwellenwert ist, wird dies als Anzeichen eines Brandes im Zielfeld genommen. Wenn die Kurve weiter ansteigt und die Differenz zwischen dem ersten Temperaturschwellenwert und dem zweiten Temperaturschwellenwert liegt, wird dies als Zeichen eines potenziellen Feuers bewertet. Wenn schliesslich die Kurve stabil und die Differenz kleiner als der zweite Temperaturschwellenwert ist, wobei der erste Temperaturschwellenwert nicht kleiner als der zweite Temperatur sch wellenwert ist, liegt für das System kein Feuer im Zielfeld vor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer automatisch und ohne permanente Bindung eines Benutzers eine laufende dynamische Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere einer Antriebsbatterie für Elektrofahrzeuge, auf sicherheitskritische Zustände durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte a) kontaktloses Erfassen und Speichern zumindest eines Momentanwertes der Temperatur zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses, und Vergleich des erfassten Momentanwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert der Temperatur für diese Stelle, wobei b) bei Überschreiten des Grenzwertes ein Warnsignal ausgegeben wird, und c) bei unterhalb des Grenzwertes liegendem Momentanwert ein Temperaturgradient für diese Stelle bestimmt wird, wobei d) bei einem Temperaturgradienten grösser oder gleich einem Gradienten- Grenzwert ebenfalls ein Warnsignal ausgegeben wird, und e) bei einem Temperaturgradienten kleiner dem Gradienten- Grenzwert erneut die Schritte a) bis e) durchlaufen werden.
Durch die erfindungsgemäss durchgeführten Beobachtungen an der Oberfläche des Gehäuses eines Energiespeichers und durch die entsprechende Auswertung kann automatisiert auf den Zustand des Energiespeichers selbst, insbesondere auf eskalierende Zellen oder eine gesamte eskalierende Batterie, rückgeschlossen werden.
Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass f) Momentanwerte der Temperatur an mehreren Stellen der Aussenseite des Gehäuses erfasst werden, wobei bei Überschreiten des Grenzwertes der Temperatur an zumindest einer Stelle ein Warnsignal ausgegeben wird, und wobei g) bei an allen Stellen unterhalb des Grenzwertes liegendem Momentanwert für alle Stellen der jeweilige Temperaturgradient zwischen den an der jeweiligen Stelle erfassten Momentanwerten bestimmt, h) bei einem Temperaturgradienten grösser oder gleich einem Gradienten- Grenzwert an zumindest einer Stelle ein Warnsignal ausgegeben, und i) bei Temperaturgradienten kleiner dem Gradienten-Grenzwert an allen Stellen erneut die Schritte f) bis i) durchlaufen werden.
Bevorzugt ist dabei, dass die Momentanwerte einer ersten Gruppe von vorzugsweise benachbarten Stellen getrennt von den Momentanwerten einer oder mehrerer weiteren Gruppen von anderen, zumindest zum Grossteil räumlich ausserhalb der ersten Gruppe liegenden, Stellen verarbeitet werden.
Vorzugsweise beinhaltet dabei die erste Gruppe die Stelle mit dem höchsten Momentanwert und/oder mit dem grössten Temperaturgradienten.
Eine weitere Variante des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen entsprechend unterschiedlichen Zonen oder Modulen des Energiespeichers gebildet werden.
Zumindest eine der weiteren Gruppen können einen konzentrischen Ring um eine oder mehrere innere Gruppe(n) umfassen.
Eine andere Verfahrens Variante gemäss der Erfindung sieht vor, dass der Gradienten-Grenzwert für zumindest die Stelle mit dem höchsten Wert in Abhängigkeit vom Verlauf der Momentanwerte, vorzugsweise beginnend beim ersten erfassten Momentanwert, und vorzugsweise auch in Abhängigkeit vom Grenzwert der Temperatur, vor jeder neuen Erfassung eines Momentanwertes angepasst wird.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Gradienten-Grenzwert bestimmt wird als Funktion des zuletzt erfassten Momentanwertes und eines Schwellenwerts für den nächsten zu erfassenden Temperaturwert, wobei der Schwellenwert in Abhängigkeit vom Verlauf der Momentanwerte, vorzugsweise zurück bis zum ersten erfassten Momentanwert an dieser Stelle, und vorzugsweise auch in Abhängigkeit vom Grenzwert der Temperatur, bestimmt wird. Eine bevorzugte Vorgangsweise ist weiters, dass der Gradienten- Grenzwert bzw. Schwellenwert für jede Stelle auf Basis der Momentanwerte an der Stelle mit höchster Temperatur und/oder mit höchstem Gradienten bestimmt wird.
Dabei wird vorteilhafterweise zumindest vor der Bestimmung des Schwellenwertes die Umgebungstemperatur der jeweiligen Stelle erfasst und der Schwellenwert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur angepasst.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass der vorgegebene Grenzwert und/oder der Gradienten- Grenzwert abhängig von Parametern angepasst wird, die charakteristisch für den jeweiligen überwachten elektrochemischen Energiespeicher sind. Mittels dieser Maßnahme ist eine genauere Bestimmung des Eskalationsbedarfs aufgrund spezifischer Kennwerte des Energiespeichers vornehmbar, wobei die Kennwerte bevorzugt aus Herstellerangaben abgeleitet oder direkt derartige Herstellerangaben sind.
In einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest das Erfassen an zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses mittels Parameter des elektrochemischen Energiespeicher unterstützt wird, die charakteristisch für den jeweiligen überwachten elektrochemischen Energiespeicher sind, wobei eine bauliche Form und/oder Anordnung des elektrochemischen Energiespeichers im Gehäuse berücksichtigt wird. Diese Maßnahme bringt den Vorteil mit sich, dass das Verfahren auf jene Bereiche beschränkt werden kann, wo sich der Energiespeicher tatsächlich befindet und somit ein Messbereich verkleinert bzw. optimiert werden kann.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch gelöst durch eine tragbare Vorrichtung zur physisch kontaktlosen Ermittlung eines sicherheitskritischen Zustands zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers, der in einem Gehäuse angeordnet ist, zumindest umfassend zumindest ein Gehäuse, Bedienungselemente und/oder Schnittstellen für Benutzereingaben, zumindest eine Ausgabeeinheit für zumindest ein Warnsignal, sowie a) zumindest einen Sensor zum zumindest intermittierenden kontaktlosen Erfassen zumindest eines Momentanwertes der Temperatur zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses, b) zumindest eine Speichereinheit, die zur Speicherung der Momentanwerte, deren Zeitstempel, eines vorgebbaren Grenzwertes der Temperatur sowie eines Gradienten-Grenzwertes ausgelegt ist, b) zumindest eine Auswerteeinheit, welche zur Durchführung des Verfahrens gemäss zumindest einem der vorhergehenden Absätze ausgelegt ist.
Durch das System ist es möglich, beispielsweise eine eskalierende Batterie zu erkennen, bevor sich der Brand durch Propagation zu einem unkontrollierbaren Szenario entwickelt. Andererseits wird das unnötige Löschen von intakten Batterien vermieden.
Bevorzugt ist dabei zumindest ein Sensor durch eine Wärmebildkamera gebildet. Insbesondere werden dabei Kameras mit großem Öffnungswinkel zum Einsatz kommen, um das gesamte Gehäuse mit wenigen Objektiven und/oder aus möglichst kurzer Distanz beobachten zu können.
Vorzugsweise ist eine optische Ausrichtungshilfe in oder an der Vorrichtung integriert. Mittels dieser Ausgestaltung ist eine vereinfachte Positionierung der Vorrichtung für die Einsatzkräfte ermöglicht, da deren Erfassungsbereich einem Benutzer signalisiert werden kann. Die Ausrichtungshilfe kann dabei an einem Monitor angezeigt werden, oder aber auch auf das Gehäuse projiziert werden, beispielsweise mittels an der Vorrichtung vorgesehene Mittel.
In einer möglichen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass in der Speichereinheit herstellerspezifische Parameter für elektrochemische Energiespeicher hinterlegbar sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass unterschiedliche Grenzwerte, abhängig von den Herstellerangaben, für die Energiespeicher berücksichtigt werden können, wodurch eine genauere Messung gewährleistet ist. Weiters kann dadurch die Form und Grösse des Energiespeichers berücksichtigt werden, wodurch die Messbereiche angepasst werden können. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Ausrichtungshilfe bezüglich dieser Parameter angepasst werden, z.B. an die Form des Energiespeichers.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass eine Ausrichtung und/oder Position der Vorrichtung bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers in der Speichereinheit hinterlegbar ist. Die Hinterlegung kann durch Benutzereingaben erfolgen, aber auch durch die Vorrichtung selbst bestimmbar sein. Von Vorteil ist hierbei wiederum zum einen Eine mögliche Verbesserung der Ausrichtungshilfe, sowie eine optimierte Steuerung des Messverfahrens.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anwendung einer erfindungsgemässen Vorrichtung sowie deren grundlegende Funktionseinheiten;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der wesentlichsten elektronischen Baugruppen der erfindungsgemässen Vorrichtung und deren Verbindungen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der Vorrichtung in Anwendung gemäss Fig. 1;
Fig. 4 Blockdiagramme des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei Fig. 4a die einfachste Variante darstellt und Fig. 4b eine Variante mit Anpassung des Gradien- ten-Grenzwertes ;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips unter Anwendung von Clustering.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Eageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Der Begriff „insbesondere“ wird nachfolgend so verstanden, dass es sich dabei um eine mögliche speziellere Ausbildung oder nähere Spezifizierung eines Gegenstands oder eines Verfahrensschritts handeln kann, aber nicht unbedingt eine zwingende, bevorzugte Ausführungsform desselben oder eine zwingende Vorgehensweise darstellen muss.
In der Fig.l ist eine erfindungsgemäße tragbare Vorrichtung 1 dargestellt, wie sie im Notfall von Einsatzkräften nahe einem Elektro-Fahrzeug 2 platziert wird, um speziell die für den Antrieb des Fahrzeuges 2 genutzte Batterie 3 zu überwachen und einen allfälligen sicherheitskritischen Zustand zu ermitteln. Selbstverständlich kann die Vorrichtung 1 zur Überwachung jeglicher elektrochemischer Energiespeicher verwendet werden, die innerhalb eines Gehäuses und nicht unmittelbar sichtbar und zugänglich angeordnet sind.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 umfasst zumindest ein Gehäuse, an welchem Bedienungselemente 4 und/oder Schnittstellen für Benutzereingaben vorgesehen bzw. ankoppelbar sind, um beispielsweise Funktionen abzurufen, Parameter einzugeben, oder dgl. Weiters ist zumindest eine Ausgabeeinheit 5 für zumindest ein optisches und/oder akustisches Warnsignal integriert, sowie eventuell ein Monitor 6, unter anderem zur Anzeige der eingegebenen Werte, zur Anzeige eines Menüs für die Funktionen, zur Anzeige des Blickfeldes der Sensoren, usw.. Ferner kann das Warnsignal auch haptisch oder taktil erfolgen, beispielsweise auch mittels Vibrationen. Weiters ist zumindest ein Sensor 7 vorhanden, zum zumindest intermittierenden kontaktlosen Erfassen zumindest eines Momentanwertes der Temperatur an zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere im dargestellten Beispiel an der Aussenseite der Karosserie, bzw. einer tragenden Struktur wie des Chassis des Fahrzeugs 2 und/oder der unmittelbar benachbarten Umgebung, deren Temperatur sich durch Wirkung der Temperatur der Batterie 3 proportional verändert.
Die Erfassung der Momentanwerte kann diskontinuierlich in bestimmten zeitlichen Abständen erfolgen, wodurch eine geringere zu verarbeitende Datenmenge anfällt. Die Abstände der Erfassung der Momentanwerte können auch wenn notwendig angepasst werden, um beispielsweise bei hohen Temperaturen und/oder Gradienten eine kurzfristigere Temperaturerfassung für eine erhöhte Genauigkeit der Überwachung des elektrochemischen Energiespeichers zu gewährleisten. Natürlich ist auch anstelle der Erfassung der Temperaturen und/oder Gradienten mit Unterbrechnungen, also diskontinuierlich, auch eine kontinuierliche Erfassung möglich, die sehr hohe Datenmengen liefert, aber auch die höchste Genauigkeit bietet.
Zumindest einer der Sensoren 7 kann durch eine Wärmebildkamera, vorzugsweise mit möglichst grossem Öffnungswinkel, gebildet sein. Dies ist von Vorteil, um trotz möglichst nahe dem Fahrzeug 2 vorgesehener Positionierung die gesamte Batterie 3 und alle ihre Zellen 3a mit einer möglichst geringen Anzahl an Sensoren 7 überwachen zu können. Zumindest ist ein Temperaturdetektor vorhanden, der dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Temperaturwert von zumindest einem ersten Messfeld beliebiger Ausdehnung, das auch ein einzelner, eng begrenzter Messpunkt sein kann, bezüglich des zumindest einen Gehäuses thermographisch zu mehreren Zeitpunkten zu ermitteln. Weitere vorteilhafterweise integrierte oder ankoppelbare Sensoren können die Lage und Position der Vorrichtung 1 aufnehmen, die Umgebungstemperatur und andere chemisch-physikalische Werte, zum Beispiel für bestimmte Zustände charakteristische Gase.
Um dem Benutzer rasch und einfach die korrekte Ausrichtung der Sensoren 7 auf den erforderlichen bzw. gewünschten Bereich zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise eine optische Ausrichtung shilfe vorhanden, beispielsweise ein am Monitor 6 erkennbares Raster, ein Fadenkreuz, eine Laserzieleinrichtung od. dgl.
Wie in Fig. 2 dargestellt, umfasst die Vorrichtung 1 weiters zumindest eine Speichereinheit 8 zur Speicherung der mittels des Temperaturdetektors thermographisch ermittelten Temperaturwerte des zumindest einen Messfeldes oder der Messstelle. Vorzugsweise ist die Speichereinheit 8 zur Speicherung der Momentanwerte, deren Zeitstempel, eines vorgebbaren Grenzwertes der Temperatur sowie eines Gradienten-Grenzwertes ausgelegt.
Der Begriff des Temperaturwertes kann ein Temperaturfeld, ein momentaner punktueller Wert, ein Höchstwert in einem bestimmten Zeitintervall, etc. umfassen, insbesondere auch Resultate von Berechnungen aus mehreren Werten.
Schliesslich ist die Vorrichtung 1 mit zumindest einer Aus werteeinheit 9 ausgestattet, welche mit der Speichereinheit 8, den Bedienungselementen 4, und der Ausgabeeinheit 5 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 9 empfängt die Sensorsignale und/oder fragt die gespeicherten Daten ab, verarbeitet diese und überwacht derart den zeitlichen Verlauf der Temperatur der Batterie 3 indirekt über die Temperatur der relevanten Stellen am Fahrzeug 2. Bei Übersteigen einer gewissen Temperatur bzw. Übersteigen eines gewissen Temperatur-Gradienten steuert die Auswerteeinheit 9 die Ausgabeeinheit 5 zur Generierung einer Warnung an, und zeigt allenfalls auch auf dem Monitor 6 eine entsprechende Warnmeldung an.
Damit werden keine für andere Aufgaben dringender benötigten Einsatzkräfte für das Monitoring gebunden, und auch Interpretationsfehler beim Ermitteln der thermischen Gegebenheiten sind unterbunden.
Eine allenfalls integrierte Datenschnittstelle, vorzugsweise zur drahtlosen Datenübertragung wie beispielsweise über GSM, gestattet eine Protokollierung des oder der Temperaturverläufe auch in einer Einsatzzentrale, in welcher dann vorzugsweise auch die Warnmeldungen empfangen werden, um eine doppelte Sicherheit zu gewährleisten, falls an der Notfallstelle die Warnmeldungen nicht registriert werden sollten. Überdies kann die Einsatzzentrale nach Erhalt der Warnmeldungen bereits selbständig mit der Einleitung nächster Schritte die Einsatzkräfte vor Ort unterstützen. Über die Datenschnittstelle können die Meldungen der Vorrichtung 1 auch an bestimmte Benutzer, beispielsweise den Einsatzleiter, übermittelt werden. Vorteilhafterweise wird bei jeder Datenübertragung eine eindeutige Kennung der jeweiligen Vorrichtung mit übertragen, vorzugsweise auch eine Positionsmeldung. Ferner können mehrere Vorrichtungen 1 vorgesehen sein, welche denselben oder unterschiedliche elektrochemische Energiespeicher messen, wodurch eine eindeutige Zuordnung des Warnsignals zu der jeweiligen Vorrichtung vorteilhaft ist. Die Datenschnittstelle kann auch genutzt werden, um die Vorrichtung 1 über drahtlose Einheiten zu steuern, darüber Eingaben zu tätigen, oder auch, um die drahtlose Einheit als externe Anzeigeeinheit zu verwenden. Als derartige Einheiten zur Fernbedienung und Abfrage können Mobiltelefone, Tablets od. dgl. zum Einsatz kommen.
Prinzipiell könnten die Speichereinheit 8 und/oder die Auswerteeinheit 9 auch getrennt von der Einheit angeordnet sein, welche den elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise die Batterie 3 eines Fahrzeuges 2, überwacht. Damit sind diese wertvollen und empfindlichen Baugruppen besser gegen alle thermischen und/oder mechanischen Belastungen am Notfallort geschützt. Andererseits ist meist gewünscht, den Datentransfer so gering wie möglich zu halten und störungssicher über möglichst kurze Strecken zu gewährleisten, was eine Integration von Speichereinheit 8 und Auswerteeinheit 9 zusammen mit den übrigen Baugruppen 4, 5, 6 und 7 in einer gemeinsam handhabbaren, tragbaren und positionierbaren Vorrichtung vorteilhaft macht.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung 1 mit allen ihren Systemen wie Sensorik, Auswertung, usw. unabhängig von einer externen Stromversorgung ausgelegt, und wird vorzugsweise über Batterien, wiederladbaren Akkumulatoren oder integrierte Stromerzeuger mit der notwendigen Energie zum Betreiben aller Systeme versorgt.
Ferner kann die Vorrichtung 1 z.B. Mittel für eine Abstandsmessung aufweisen, um den Abstand der Vorrichtung 1 zum Gehäuse, bzw. dem elektrochemischen Energiespeicher zu ermitteln. Beispielsweise kann der Abstand in das Verfahren zur Bestimmung des Zustands des elektrochemischen Energiespeichers miteinbezogen werden. Darüber hinaus kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, dass herstellerspezifische Parameter für elektrochemische Energiespeicher in der Vorrichtung hinterlegt werden, bevorzugt in der Speichereinheit. Mittels der Parameter kann das Verfahren derart optimiert werden, um z.B. spezifische Maximaltemperaturwerte für den jeweiligen Energiespeicher zu erhalten.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Ausrichtung und/oder Position der Vorrichtung 1 gegenüber des elektrochemischen Energiespeichers bzw. dessen Gehäuses in der Vorrichtung eingegeben werden kann. Z.B. von welcher Seite der Energiespeicher gemessen wird. Optional können grobe Ausrichtungen vorgesehen/hinterlegt sein, welche durch einen Benutzer ausgewählt werden können.
Ferner kann die Vorrichtung in einer Weiterbildung dazu ausgebildet sein, die Position eines zu erfassenden Gehäuses bzw. Fahrzeuges mittels optischer Sensorik zu bestimmen, z.B. anhand von Vergleich-Bilder festzustellen, ob das Fahrzeug von vorne, hinten, oben, unten oder einer rechten bzw. linken Seite gemessen wird.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung, wie auch in Fig. 1 dargestellt, seitlich neben einem zu überwachenden Fahrzeug 2 am Boden abgestellt, wobei für unebenen oder geneigten Untergrund verstellbare Füsse, stativartige Unterbauten oder dgl. vorhanden sein können, um die Vorrichtung 1 optimal in Bezug auf das Fahrzeug 2 ausrichten zu können, was das barrierefreie Erfassungsfeld für die Batterie 3 betrifft, aber auch die Neigung um drei orthogonale Achsen. Wie in der schematischen Darstellung der Fig. 3 angedeutet ist, ergibt sich als Bild von beispielsweise Wärmebildkameras als Sensoren 7, eine zwar verzerrte Projektion, doch sind die Stelle 10 der maximalen Temperatur der Batterie 3 des Fahrzeuges 2, der Bereich 11 etwas geringerer Temperatur um die Stelle 10 herum, sowie der noch kühlere Bereich 12 der Unterseite der Karosserie des Fahrzeuges 2 eindeutig und klar zu erkennen und in einer Dimension erfassbar, der eine gute Auswertung der Temperaturen der Stelle 10 und der Bereiche 11 und 12 im Hinblick auf die Maximalwerte sowie das zeitliche Verhalten gestattet.
Diesbezüglich ist in Fig. 3 das durch die Temperaturerfassungseinheit ermittelte Wärmebild 14 schematisch dargestellt, sowie ein theoretisches Bild des Fahrzeuges 2 gegenübergestellt, wenn man das Fahrzeug 2 von unten betrachten würde. Wie ersichtlich, ist das Wärmebild 14 aufgrund der Anordnung der Vorrichtung 1 zum Fahrzeug 2 gestaucht bzw. verkleinert als die Ansicht von unten, das Verhältnis der einzelnen Bereiche, sowie deren Temperaturverlauf bleibt aber gleich.
Nachfolgend soll nun das erfindungsgemässe Verfahren zur physisch kontaktlosen Ermittlung eines sicherheitskritischen Zustands zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers, der in einem Gehäuse angeordnet ist, näher erläutert werden, welches vorzugsweise in der Form als Algorithmus bzw. Computerprogrammprodukt vorliegt und welches in der Auswerteeinheit 9 der Vorrichtung 1 implementiert ist. Die grundlegende Variante dieses Verfahrens ist in Fig. 4a in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt.
Mittels zumindest eines Sensors 7 erfolgt ein kontaktloses Erfassen und Speichern zumindest eines Momentanwertes der Temperatur zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses, d.h. vorzugsweise an der der Batterie 3 unmittelbar benachbarten Fahrzeug Struktur. Dabei wird vorzugsweise jene Stelle 10 mit der maximalen Temperatur ermittelt und als Stelle für die weiteren Verfahrensschritte ausgewählt. In der Aus werteeinheit 9 erfolgt nun ein Vergleich des bei der jeweiligen Messung erfassten Momentanwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert der Temperatur für diese Stelle, der in der Speichereinheit 8 über die Bedienungselemente 4 eingegeben oder fix in der Speichereinheit eingeschrieben ist.
Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, resultiert ein am Boden neben einem Fahrzeug 2 abgestellte Vorrichtung 1, deren Sensoren 7 insbesondere die Unterseite der Karosserie des Fahrzeuges 2 erfassen sollen, in einem perspektivisch gestauchten Abbild der Bodenplatte des Fahrzeuges 2 und der anschliessenden Seite des Fahrzeuges 2 also auch des unter dem Fahrzeug 2 befindlichen Bodens. Die Temperaturwerte sind aber dennoch gut zu erfassen, ebenso die Temperaturverteilung, insbesondere über die Länge des Fahrzeuges 2 und auch der zeitliche Verlauf der Temperaturwerte.
Bei Überschreiten des Grenzwertes wird mittels der Wameinrichtung 5 ein Warnsignal ausgegeben. Für die Einsatzkräfte bedeutet dies typischerweise, dass die Batterie eskaliert ist oder kurz davorsteht, und dass nun entsprechende Gegenmassnahmen ergriffen werden müssen. In diesem Fall kann die Überwachung dann beendet werden. Sollte der Momentanwert für die ermittelte Temperatur an keiner Stelle des Fahrzeuges 2 diesen Grenzwert erreichen, wird das Monitoring fortgesetzt und es erfolgt in der Auswerteeinheit 9 die Bestimmung eines Temperaturgradienten für die betrachtete Stelle.
Als nächster Schritt ist dann ein Vergleich dieses ermittelten Temperaturgradienten mit einem in der Speichereinheit 8 eingegebenen oder fest vorgegebenen Gradienten- Grenzwert vorgesehen, wobei für den Fall, dass der momentane Temperaturgradient grösser oder gleich dem Grenzwert ist, ebenfalls ein Warnsignal ausgegeben wird. Für die Einsatzkräfte bedeutet dies typischerweise ebenfalls, dass die Batterie kurz davor steht zu eskalieren, und dass nun entsprechende Gegenmassnahmen ergriffen werden müssen und die Überwachung beendet werden kann.
Gegebenenfalls sind für die Überschreitung des Grenzwertes der Temperatur und des Grenzwertes des Temperatur- Gradienten unterschiedliche Signale vorgesehen.
Bei einem Temperaturgradienten kleiner dem Gradienten-Grenzwert werden nach einer vorgegebenen oder über die Bedienungselemente 4 vorgebbaren Zeitspanne die beschriebenen Schritte erneut durchlaufen, beginnend mit der Bestimmung des nach Ablauf der Zeitspanne nun vorliegenden neuen Momentanwertes der Temperatur an der wärmsten Stelle 10 am Gehäuse für den elektrochemischen Energiespeicher.
Vorteilhafterweise, nachdem sich die einzelnen Zellen 3a der Batterie 3 unterschiedlich entwickeln können, auch abhängig von den Umgebungsbedingungen, insbesondere bei Fahrzeugbränden, werden über die Sensoren 7 mit grossem Erfassungsbereich Momentanwerte der Temperatur an mehreren Stellen der Aussenseite des Gehäuses, d.h. der der Batterie 3 unmittelbar benachbarten Bereiche der Karosserie des Fahrzeuges 2, erfasst, wobei bei Überschreiten des Grenzwertes der Temperatur an zumindest einer Stelle ein Warnsignal ausgegeben wird. Hier besteht natürlich die Möglichkeit, für unterschiedliche Stellen auch unterschiedliche Grenzwerte vorzugeben. Auch ist es möglich, Temperaturwerte an vielen Stellen über ein grosses Messfeld verteilt zu bestimmen und daraus charakteristische Werte, die aus Erfahrung und/oder über vorgegebene Algorithmen berechnet zur Einschätzung über den Zustand des elektrochemischen Energiespeichers herangezogen werden können.
In ähnlicher Weise wie zuvor schon erläutert, wird für alle betrachteten Stellen, beispielsweise die Stelle 10 und die Bereiche 11 und 12, der jeweilige Temperaturgradient zwischen den an der jeweiligen Stelle erfassten Momentanwerten bestimmt, falls die Momentanwerte der Temperatur überall unterhalb des universalen bzw. lokalen Grenzwertes liegen.
Wieder wird bei einem Temperaturgradienten grösser oder gleich einem Gradienten- Grenzwert an zumindest einer Stelle, wobei auch betreffend des Temperatur-Gradienten ein lokaler Grenzwert für jede einzelne Stelle oder ein über alle Stellen gleicher universaler Grenzwert vorgegeben sein können, ein Warnsignal ausgegeben.
Die Folgen nach Ausgabe des Warnsignals sind gleich wie zuvor beschrieben, und es ist ebenfalls gleich, dass bei Temperaturgradienten an allen Stellen kleiner dem Gradienten- Grenzwert an allen Stellen nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne die beschriebenen Verfahrensschritte durchlaufen werden.
Nachdem typischerweise bevorzugt an mehreren Stellen am Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers die Temperatur und der Temperatur- Gradient ermittelt werden, ist oftmals eine Variante des Verfahrens vorteilhaft, bei welcher die Momentanwerte einer ersten Gruppe von Stellen getrennt von den Momentanwerten einer oder mehrerer weiteren Gruppen von anderen Stellen verarbeitet werden.
Eine vorteilhafte Variante zur Bildung der Cluster ist das Heranziehen der Temperatur als Kriterium. So kann, wie beispielhaft in Fig. 5 dargestellt ist, eine erste Gruppe, ein erster Cluster CI, die Stelle mit dem höchsten Momentanwert sowie jene Stellen beinhalten, die innerhalb einer vorgegebenen räumlichen Distanz und/oder innerhalb einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zur Stelle mit dem höchsten Momentanwert der Temperatur liegen. Ergänzend oder auch alternativ zur Temperatur kann als alternatives oder ergänzendes Kriterium für die Gruppenbildung auch der Temperaturgradient herangezogen werden, wobei ebenfalls eine erste Gruppe, ein erster Cluster CI, die Stelle mit dem höchsten Wert des Temperatur- Gradienten sowie jene Stellen beinhalten, die innerhalb einer vorgegebenen räumlichen Distanz und/oder innerhalb einer vorgegebenen Differenz der Gradienten- Werte liegen. Weitere Gruppen bzw. Cluster C2, C3 werden dann durch die Stellen gebildet, die in weiteren Temperaturintervallen bzw. Intervallen der Werte der Temperatur-Gradienten um die erste Gruppe liegen, was typischerweise zu ringförmig angeordneten Clustern um die erste, dann innerste Gruppe führt. Eine derartige Anordnung kann auch durch den in der Auswerteeinheit 9 Vorrichtung 1 implementierten Algorithmus erstellt werden, der ausgelegt sein kann, zumindest eine der weiteren Gruppen als einen gegebenenfalls konzentrischen Ring um eine oder mehrere innere Gruppe(n) anzulegen und die entsprechenden Stellen der Temperaturermittlung am Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers so zusammenzufassen. Vorzugsweise bei entsprechender Ausrichtung der Vorrichtung 1 kann über den Algorithmus und darin vorhandene Modelle der Temperaturverteilung in elektrochemischen Energiespeichern wie vorzugsweise den Batterien in Elektrofahrzeugen eine Clusterbildung vorgegeben werden, bei der mehrere Gruppen entsprechend unterschiedlichen Zonen oder Modulen des Energie Speichers gebildet werden.
Ein derartiges Bilden von Clustern kann vorteilhaft sein, um die Temperaturentwicklung von Umgebung und Fahrzeug getrennt betrachten und auswerten zu können. Bei Wärmebildkameras könnte der Mittelwert über das gesamte Blickfeld des Sensors als Clusterkriterium herangezogen werden. So kann der Cluster CI die Batterie 3 umfassen, d.h. die Stelle 10 mit dem höchsten Momentanwert und/oder mit dem grössten Temperaturgradienten sowie den unmittelbar umgebenden Bereich 11 beinhalten. Ein zweiter Cluster C2 umfasst typischerweise die übrige Fahrzeugunterseite, d.h. den Bereich 12 in Fig. 3, und ein dritter Cluster C3 die unmittelbare Umgebung 13 der Unterseite des Fahrzeugs 2, deren Temperaturwerte natürlich auch Einfluss auf die Temperaturentwicklung der Batterie 3 im Fahrzeug 2 nehmen.
Sollte die Stelle mit der höchsten Temperatur nicht mit der Stelle des grössten Temperatur- Gradienten zusammenfallen, so wird der erste Cluster CI vorzugsweise räumlich gesehen derart gelegt bzw. erweitert, dass er beide Stellen beinhaltet.
Im Zusammenhang mit der Gruppen- bzw. Clusterbildung sind verschiedene Verfahrens Varianten möglich, so etwa die Berechnung des Temperaturgradienten über die Zeit für jeden Cluster in seiner Gesamtheit, über alle einzelnen, in der jeweiligen Gruppe beinhalteten Stellen der Temperaturermittlung.
Auch ist es oftmals von Bedeutung, alle Stellen mit einer Temperatur grösser der Umgebungstemperatur von allen Stellen mit einer kleineren Temperatur zu unterscheiden und Cluster unter Heranziehen dieses Kriteriums zu bilden. In der oder den Gruppe(n) mit Temperatur höher als die Umgebung werden dann lokale Maxima ermittelt. Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass der für die Einschätzung der Gefahr einer Eskalation des elektrochemischen Energiespeichers relevante Gradienten-Grenzwert für zumindest die Stelle mit dem höchsten Wert in Abhängigkeit vom Verlauf der Momentanwerte des Gradienten vor jeder neuen Erfassung eines Momentanwertes angepasst wird. Ein entsprechendes Ablaufdiagramm ist in Fig. 4b dargestellt. Damit kann auf sich ändernde Umgebungsbedingungen, die Einfluss auf den Temperaturverlauf am oder im Gehäuse, beispielsweise der die Batterie 3 enthaltenden Karosserie des Fahrzeuges 2, hat. Vorzugsweise wird der gesamte Verlauf seit Beginn der Überwachung des elektrochemischen Energiespeichers für die Berechnung des Gradienten-Grenzwertes herangezogen, also beginnend beim ersten erfassten Momentanwert, und vorzugsweise auch in Abhängigkeit vom typischerweise fest vorgegebenen Grenzwert der Temperatur. Optimal ist dabei eine Variante, bei der diese Vorgangsweise für zumindest die Stelle mit dem höchsten Wert des Gradienten- Grenzwertes gewählt wird.
Insbesondere ist dabei bevorzugt, wenn der in der Auswerteeinheit 9 implementierte Algorithmus den Gradienten-Grenzwert als Funktion des zuletzt erfassten Momentanwertes der Temperatur an der jeweiligen Stelle des Gehäuses und eines Schwellenwerts für den nächsten zu erfassenden Temperaturwert an genau dieser Stelle berechnet. Der jeweilige Schwellenwert ist vorzugsweise nicht fix eingespeichert, sondern wird immer aktuell neu ermittelt, indem ein Algorithmus der Aus werteeinheit 9 den Schwellenwert in Abhängigkeit vom Verlauf der Momentanwerte der Temperatur bestimmt. Vorzugsweise werden dabei Werte zurück bis zum ersten erfassten Momentanwert an dieser Stelle benutzt. Auch hier geht bei einer vorteilhaften weiteren Variante auch der Grenzwert der Temperatur in die Berechnung des Schwellenwertes ein.
Eine weitere Möglichkeit das Verfahren abzuwandeln besteht darin, dass der Gradienten- Grenzwert bzw. Schwellenwert für jede Stelle auf Basis der Momentanwerte an der Stelle mit höchster Temperatur und/oder mit höchstem Gradienten bestimmt wird. Um die Einflüsse im Umfeld des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers optimal zu berücksichtigen, kann zumindest vor der Bestimmung des Schwellenwertes die Umgebungstemperatur der jeweiligen Stelle erfasst werden. Anschliessend kann der in der Auswerteeinheit 9 implementierte Algorithmus in einer weiteren Variante diesen weiteren Temperaturwert verwenden, um den Schwellenwert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur anzupassen. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Bestimmen eines ersten Schwellenwerts für den ersten Temperaturwert des ersten Messfeldes beinhaltet die Ermittlung eines ersten Temperaturwertes durch den Sensor 7 und die Auswerteeinheit 9. In Abhängigkeit des erfassten ersten Temperaturwertes des ersten Messfeldes zu Beginn eines Zeitintervalls wird ein Schwellenwert für einen zweiten, nachfolgenden Temperaturwert kalkuliert, wofür in der Auswerteeinheit 9 bestimmte Rechenvorschriften und/oder Kennfelder vorgegeben sind. Der Beginn des relevanten Zeitintervalls kann dabei der Zeitpunkt der Aktivierung der Vorrichtung 1 sein, kann aber auch zeitlich gesehen danach liegen, um ein vollkommenes Hochfahren aller Systeme der Vorrichtung und ein Einpendeln aller Messkreise und Sensoren zu ermöglichen. In die Berechnung des Schwellenwertes, welcher mit dem ersten Temperaturwert zur Bestimmung des Gradienten-Grenzwertes herangezogen wird, kann auch der Verlauf aller im betrachteten Zeitintervall bestimmten Temperaturwerte eingehen, vorzugsweise chronologisch fortlaufend und beginnend mit dem ersten Zeitpunkt des Zeitintervalls vor dem ersten Schwellenwert, um den Schwellenwert für den nächsten Zeitpunkt in Abhängigkeit von einer Temperaturdynamik der ersten Temperaturwerte zu erhalten. Gemäss einer Verfahrens Variante kann auch eine Warnmeldung durch die Vorrichtung ausgegeben werden, der erste Schwellenwert bei der nächsten Temperaturbestimmung überschritten wird.
Als weitere Variante im Hinblick auf den Vergleich von zumindest zwei Gruppen von Messfeldern oder Messstellen ist ein Verfahren vorgesehen, bei welchem mittels des Sensors 7 oder einer Anordnung von mehreren derartigen Sensoren ein zeitgleiches Erfassen zumindest eines zweiten Temperaturwertes von zumindest einem zweiten Messfeld zu dem ersten Zeitpunkt und den darauffolgenden Zeitpunkten des Zeitintervalls erfolgt. Dabei wird das zweite Messfeld gesteuert von der Aus werteeinheit 9 so gelegt, dass es zumindest einen Bereich des Gehäuses umfasst und wobei zumindest ein Teil-Messbereich des zweiten Messfeldes außerhalb des ersten Messfeldes angeordnet ist. Anschliessend erfolgt das Speichern der erfassten zweiten Temperaturwerte des Zeitintervalls in der Speichereinheit, das Vergleichen des erfassten zumindest einen ersten Temperaturwerts mit dem zumindest einen zweiten Temperaturwert zu denselben Zeitpunkten mittels der Auswerteeinheit, und auch hier ein Anpassen des ersten Schwellenwertes in Abhängigkeit von den zweiten Temperaturwerten zum jeweiligen Zeitpunkt des Zeitintervalls.
Bevorzugt wird bei diesen Schwellenwert- Anpassungen auch das Umfeld des Gehäuses des elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise der Umgebung eines Fahrzeuges 2 mit einer Antriebs -Batterie 3, berücksichtigt. Damit können kühlende Einflüsse, etwa eine nasse oder kalte Umgebung, aber auch aufheizende Einflüsse, wie etwa bei einem Fahrzeugbrand oder einem Brand im Umfeld des Fahrzeuges 2, berücksichtigt werden. Dazu wird über die Vorrichtung 1 automatisiert auch eine Umgebungstemperatur ermittelt und der Schwellenwerts nach vorgebbaren oder vorprogrammierten Algorithmen in Abhängigkeit von der erfassten Umgebungstemperatur angepasst.
Bevorzugt ist zumindest das erste Messfeld in Cluster eingeteilt, wobei vorteilhafterweise einzelne Clusterbereiche des Clusters bezüglich einzelner Zonen (Module) des elektrochemischen Energiespeichers vorgesehen sind. Für ein hohes Niveau an Sicherheit wird bevorzugt zur Bestimmung und Anpassung des ersten Schwellenwertes - und zum Vergleichen der ersten Temperaturwerte - jener Clusterbereich herangezogen, welcher die höchsten Temperaturwerte aufweist. Vereinfacht und daher auch mit rascherer Auswertung kann eine Berechnung mittels einem Clustersegment erfolgen, während lediglich eine Überwachung des restlichen Clusters erfolgt. Bei Veränderung der relativen Temperaturniveaus innerhalb des Clusters kann der Bereich der Berechnung und jener der reinen Überwachung auch wechseln, d.h. von einem zum anderen Clusterbereich gesprungen werden.
Ein zweiter, chronologisch nachfolgender Schwellenwert bezüglich des ersten Temperaturwertes wird über die Auswerteeinheit 9 bevorzugt derart bestimmt, dass eine Gruppe von ersten Temperaturwerten zu mehreren Zeitpunkten mit dem zweiten Schwellenwert verglichen wird und die Temperaturerfassungseinheit eine Warnmeldung ausgibt, wenn der zweite Schwellenwert überschritten wird.
Um die Überwachung optimal auf den jeweiligen Einsatzfall der Vorrichtung 1, die Positionierung in Bezug auf das Gehäuse bzw. das Fahrzeug 2 und sonstige äusseren Rahmenbedingungen anpassen zu können, sind verschiedene zusätzliche Verfahrensvarianten möglich. So kann jedes Messfeld bzw. jede Stelle für die Temperaturermittlung bezüglich einer Länge und einer Breite eines Erfassungsbereiches einstellbar sein. Weiters können als Hilfen für die Ausrichtung der Vorrichtung 1 oder für relativ zur Vorrichtung 1 in ihrer Ausrichtung veränderbare Sensoren 7 Positionsmarkierungshilfen eingesetzt werden. Beispielsweise könnte eine Positionsmarkierung auf das Gehäuse projiziert werden oder es ist eine Positionsmarkierung, etwa ein Raster, Fadenkreuz od. dgl., auf einer Anzeige der Temperaturerfassungseinheit aufgebracht bzw. wird hier angezeigt. Die Positionsmarkierung umfasst vorteilhafterweise einen Umriss des zumindest einen ersten Messfeldes.
Natürlich können in der Vorrichtung 1, insbesondere in der Auswerteeinheit 9, automatische Mechanismen der Selbstüberwachung implementiert sein, um bei fehlerhaften Betriebszuständen darauf hinzuweisen. Beispielsweise ist die Vorrichtung 1 dazu eingerichtet, einen Hinweis auszugeben, wenn zumindest eines der folgenden Kriterien erfüllt ist: der erste und zweite Temperaturwert des ersten und zweiten Messfeldes liegen außerhalb einer Toleranz bezüglich der beiden Temperaturwerte und/oder die Energieversorgung der Vorrichtung ist unzureichend für eine korrekte bzw. vollständige Erfassung der erforderlichen Werte bzw. unzureichend für einen weiteren Betrieb, oder auch, wenn die innerhalb eines Messfeldes erfassten Temperaturen außerhalb einer zulässigen Toleranz liegen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens kann eine Funktionalität für die Entwarnung anbieten, um den Einsatzkräften oder anderen Anwendern durch ein sich von den bisher angesprochenen Warnsignalen unterscheidendes Entwarnungssignal zu signalisieren, dass die Gefahr einer Eskalation des elektrochemischen Energie Speichers nicht mehr gegeben ist. Dazu wird in der Auswerteinheit 9 der Vorrichtung 1 durch einen darin implementierten Algorithmus geprüft, ob der Schwellenwert für die Temperatur an mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten verringert wurde bzw. ob der Gradienten-Grenzwert entsprechend immer kleiner geworden ist. Dabei kann vorteilhafterweise vorgegeben werden, nach wievielen Anpassungen zu kleineren Temperatur-Schwellenwerten bzw. geringeren Grenzwerten dieses Entwarnungssignal ausgegeben wird, um nicht zufällige Schwankungen oder Änderungen der Umgebung s werte abzufedern.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden. Bezugszeichenaufstellung
Vorrichtung
Fahrzeug
Batterie
3 a Zelle
Bedienungselemente
Ausgabeeinheit
Monitor
Sensor
Speichereinheit
Auswerteeinheit
Stelle
Bereich
Bereich
Umgebung
Wärmebild

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur physisch kontaktlosen Ermittlung eines sicherheitskritischen Zustands zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers, der in einem Gehäuse angeordnet ist, umfassend die Schritte a) kontaktloses Erfassen und Speichern zumindest eines Momentanwertes der Temperatur zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses, und Vergleich des erfassten Momentanwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert der Temperatur für diese Stelle, wobei b) bei Überschreiten des Grenzwertes ein Warnsignal ausgegeben wird, und c) bei unterhalb des Grenzwertes liegendem Momentanwert ein Temperaturgradient für diese Stelle bestimmt wird, wobei d) bei einem Temperaturgradienten grösser oder gleich einem Gradienten- Grenzwert ebenfalls ein Warnsignal ausgegeben wird, und e) bei einem Temperaturgradienten kleiner dem Gradienten- Grenzwert erneut die Schritte a) bis e) durchlaufen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass f) Momentanwerte der Temperatur an mehreren Stellen der Aussenseite des Gehäuses erfasst werden, wobei bei Überschreiten des Grenzwertes der Temperatur an zumindest einer Stelle ein Warnsignal ausgegeben wird, und wobei g) bei an allen Stellen unterhalb des Grenzwertes liegendem Momentanwert für alle Stellen der jeweilige Temperaturgradient zwischen den an der jeweiligen Stelle erfassten Momentanwerten bestimmt, h) bei einem Temperaturgradienten grösser oder gleich einem Gradienten- Grenzwert an zumindest einer Stelle ein Warnsignal ausgegeben, und i) bei Temperaturgradienten kleiner dem Gradienten-Grenzwert an allen Stellen erneut die Schritte f) bis i) durchlaufen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentanwerte einer ersten Gruppe von Stellen getrennt von den Momentanwerten einer oder mehrerer weiteren Gruppen von anderen, zumindest zum Grossteil räumlich ausserhalb der ersten Gruppe liegenden, Stellen verarbeitet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe die Stelle mit dem höchsten Momentanwert und/oder mit dem grössten Temperaturgradienten beinhaltet, sowie jene Stellen die innerhalb einer vorgegebenen räumlichen Distanz und/oder innerhalb einer vorgegebenen Temperaturdifferenz zur Stelle mit dem höchsten Momentanwert der Temperatur und/oder dem grössten Temperaturgradienten liegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten- Grenzwert für zumindest die Stelle mit dem höchsten Wert in Abhängigkeit vom Verlauf der Momentanwerte, vorzugsweise beginnend beim ersten erfassten Momentanwert, und vorzugsweise auch in Abhängigkeit vom Grenzwert der Temperatur, vor jeder neuen Erfassung eines Momentanwertes angepasst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten-Grenz- wert bestimmt wird als Funktion des zuletzt erfassten Momentanwertes und eines Schwellenwerts für den nächsten zu erfassenden Temperaturwert, wobei der Schwellenwert in Abhängigkeit vom Verlauf der Momentanwerte, vorzugsweise zurück bis zum ersten erfassten Momentanwert an dieser Stelle, und vorzugsweise auch in Abhängigkeit vom Grenzwert der Temperatur, bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradienten-Grenz- wert bzw. Schwellenwert für jede Stelle auf Basis der Momentanwerte an der Stelle mit höchster Temperatur und/oder mit höchstem Gradienten bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vor der Bestimmung des Schwellenwertes die Umgebungstemperatur der jeweiligen Stelle erfasst und der Schwellenwert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur angepasst wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Grenzwert und/oder der Gradienten-Grenzwert abhängig von Parametern angepasst wird, die charakteristisch für den jeweiligen überwachten elektrochemischen Energiespeicher sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Erfassen an zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses mittels Parameter für den elektrochemischen Energiespeicher unterstützt wird, die charakteristisch für den jeweiligen überwachten elektrochemischen Energiespeicher sind, wobei eine bauliche Form und/oder Anordnung des elektrochemischen Energiespeichers im Gehäuse berücksichtigt wird.
11. Tragbare Vorrichtung (1) zur physisch kontaktlosen Ermittlung eines sicherheitskritischen Zustands zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers (3), der in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, zumindest umfassend zumindest ein Gehäuse, Bedienungselemente (4) und/oder Schnittstellen für Benutzereingaben, zumindest eine Ausgabeeinheit (5, 6) für zumindest ein Warnsignal, sowie a) zumindest einen Sensor (7) zum zumindest intermittierenden kontaktlosen Erfassen zumindest eines Momentanwertes der Temperatur zumindest einer Stelle der Aussenseite des Gehäuses, b) zumindest eine Speichereinheit (8), die zur Speicherung der Momentanwerte, deren Zeitstempel, eines vorgebbaren Grenzwertes der Temperatur sowie eines Gradienten-Grenzwertes ausgelegt ist, c) zumindest eine Auswerteeinheit (9), welche zur Durchführung des Verfahrens gemäss zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (7) durch eine Wärmebildkamera gebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Ausrichtungshilfe integriert ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Speichereinheit herstellerspezifische Parameter für elektrochemische Energiespeicher hinterlegbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausrichtung und/oder Position der Vorrichtung bezüglich des elektrochemischen Energiespeichers in der Speichereinheit hinterlegbar ist.
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