WO2013149919A2 - Vorrichtung zur temperaturüberwachung und batteriesicherheitssystem mit einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur temperaturüberwachung und batteriesicherheitssystem mit einer solchen vorrichtung Download PDF

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WO2013149919A2
WO2013149919A2 PCT/EP2013/056606 EP2013056606W WO2013149919A2 WO 2013149919 A2 WO2013149919 A2 WO 2013149919A2 EP 2013056606 W EP2013056606 W EP 2013056606W WO 2013149919 A2 WO2013149919 A2 WO 2013149919A2
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Michael Schiemann
Florian Hübner
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for monitoring the temperature of an electrical energy storage device for a vehicle with a temperature measuring element and an evaluation unit. Moreover, the present invention relates to a battery safety system with such a device for temperature monitoring and a protective device for the protection of the energy storage. In addition, the invention relates to a vehicle which is equipped with a corresponding device for temperature monitoring or a corresponding battery safety system.
  • the power supply of the monitoring electronics can not be permanently guaranteed.
  • permanent monitoring of the battery systems is absolutely necessary.
  • the single-cell temperatures of the cells of the energy storage connected in series and / or in parallel must be monitored during operation of the vehicle and during parking.
  • the temperatures of the cells are usually measured with a thermocouple.
  • the measured signal is evaluated by means of an evaluation.
  • EP 1 070 944 A1 represents an example of this principle.
  • the energy stores are thermally coupled to a measuring element whose resistance depends on its temperature.
  • a voltage is applied to this element and the resulting current is measured by a transmitter. Since the current at a known voltage depends on the resistance of the measuring element, the temperature of the measuring element and thus of the energy store can be determined on the basis of the measured current.
  • the disadvantage here however, that a considerable energy is consumed in this principle.
  • the monitoring electronics is thus operated so that it wakes up cyclically and polls the state of the cells of the energy storage. This can z. B. happen once an hour. This ensures that at a longer service life of the vehicle, eg. For example, when parking at the airport, the electronics does not consume all the energy in the energy storage. However, this also leads to gaps in the monitoring, which malfunctions of the energy storage may not be detected in time and thus countermeasures are not initiated in time. As countermeasures, for example, a separation of the energy Memory from the wiring harness or cooling of the energy storage conceivable.
  • the invention comprises a device for monitoring the temperature of an electrical energy storage device for a vehicle with a temperature measuring element and an evaluation unit.
  • the temperature measuring element comprises a first contact element for producing a thermal contact with the energy store and a second contact element for producing a thermal contact with an element having a reference temperature.
  • the temperature measuring element is designed such that it is based on a
  • the evaluation unit is used to evaluate the thermoelectric voltage and is inventively configured to obtain from the provided by the temperature measuring element thermoelectric voltage necessary for operation of the evaluation unit energy.
  • thermoelectric voltage arises in a closed circuit.
  • an electric current called the thermo-current.
  • the evaluation unit Since the evaluation unit is operated with energy that is obtained from the thermoelectric voltage, the evaluation unit requires no battery.
  • the temperature difference can be very small, the evaluation unit can not be operated, but there is also no dangerous situation, since an overheating of the energy storage obviously is not given.
  • the temperature sensing element comprises a Peltier element.
  • a Peltier element has two or more alternately p-doped and n-doped semiconductor elements, frequently two semiconductor elements in each case being connected to one another by metal bridges, so that a kind of series connection arises.
  • Peltier elements have the advantage over contiguous metals that they can provide comparatively higher performance.
  • the evaluation unit is configured to output an output signal when the temperature difference exceeds a predetermined limit value. In this way, external receivers can be notified by means of the output signal if there is possibly overheating of the energy store.
  • the invention includes a battery safety system with a device according to the invention for temperature monitoring and a protective device for protecting the energy storage device.
  • the protective device is set up to be activated via an activation signal.
  • the protective device can be, for example, a cooling system for cooling the energy store, an extinguishing system for extinguishing the energy store or a power disconnector for disconnecting the energy store from a wiring harness of the vehicle.
  • the protective device can also be an alarm system for outputting an alarm signal and / or for sending a Include alarm message via a mobile communication system.
  • the alarm system can be set up to send an SMS (short message service) via a cellular mobile radio network.
  • the said protective devices can of course also be combined with each other.
  • the protective device thus includes not only a cooling system, an extinguishing system and a power disconnector, but also an alarm system.
  • the protective device makes it possible, after an overheating of the energy storage has been detected to take appropriate countermeasures that prevent, for example, a fire of the energy storage.
  • the battery safety system is configured such that the output signal of the evaluation unit of the protective device is supplied as an activation signal.
  • the temperature monitoring device thus monitors the temperature of the energy store independently of external energy sources and activates the protective device if there is overheating of the energy store.
  • the battery security system further comprises a battery monitoring unit.
  • This battery monitoring unit is set up to be woken up via a wake-up signal, to evaluate a situation of the energy store in the awake state and to output the activation signal to the protection device if the situation is assessed as an exceptional situation.
  • the battery safety system is configured such that the evaluation unit supplies its output signal to the battery monitoring unit as a wake-up signal.
  • the output signal of the evaluation unit is not fed directly to the protection device. Rather, the output signal of the evaluation unit first arouses the battery monitoring unit, which is the result of the evaluation unit for Example again checked for plausibility and / or checked, the protective device is activated.
  • the battery monitoring unit is operated with energy that is obtained from the thermal voltage.
  • the battery safety system is thus configured to obtain from the provided by the temperature measuring element thermoelectric energy necessary for operation of the battery monitoring unit energy. As a result, the battery monitoring unit requires no external power supply.
  • the battery safety system includes a buffer for collecting and storing energy derived from the thermal voltage.
  • this buffer can be a capacitor or a solid-state battery. Such a buffer allows even such battery monitoring units to operate by means of the energy obtained from the thermal voltage, which have a power consumption that exceeds the power output of the Temperaturmesselements significantly.
  • the present invention includes a vehicle having a temperature monitoring device according to the invention or a battery safety system according to the invention.
  • the vehicle has a body that provides a reference temperature with which the second contact element of the temperature sensing element is in thermal contact.
  • Figure 1 shows an embodiment of a device according to the invention for monitoring the temperature of an electrical energy storage device for a vehicle
  • Figure 2 shows a first embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a device according to the invention
  • Figure 4 shows a third embodiment of an inventive
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention for monitoring the temperature of an electrical energy store for a vehicle.
  • the device 1 shown comprises a temperature measuring element 2 with a first contact element 3 for producing a thermal contact with the energy store and a second contact element 4 for producing a thermal contact with an element having a reference temperature.
  • the temperature measuring element 2 is designed such that it generates a thermal voltage U t based on the Seebeck effect, which is dependent on a temperature difference between the first and second contact elements 3, 4. Via two lines 5, 6, this thermoelectric voltage U t is provided to an evaluation unit 7, which evaluates them.
  • the evaluation unit 7 is set up to obtain from the temperature provided by the temperature measuring element 2 thermoelectric voltage U t necessary for the operation of the evaluation unit 7 energy.
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of a battery safety system 9 according to the invention, which comprises the temperature monitoring device 1 according to the invention shown in FIG.
  • the evaluation unit 7 of this device 1 can output an output signal 8.
  • the output signal reaches a protective device 10 for the protection of the energy store, where the output signal 8 is interpreted as an activation signal and leads to an activation of the protective device 10.
  • the protection device 10 may comprise one or more of the following elements or systems.
  • the protective device has a cooling system, with the aid of which it is possible to cool the energy store so as to prevent overheating of the energy store. In extreme cases, the energy storage can even catch fire.
  • the protective device may be equipped with an extinguishing system for clearing the energy storage. In many cases, it will already be sufficient to separate the energy storage device from the wiring harness of the vehicle. This can be done by means of a power isolator.
  • the protection device 10 may include an alarm system for outputting an alarm signal. Such an alarm signal may be, for example, an audible or even a visual signal. It is also conceivable that the alarm system sends an alarm message.
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of a battery safety system according to the invention.
  • This second embodiment 11 in turn comprises the device for temperature monitoring 1 of Figure 1 and the protective device 10 of Figure 2.
  • the output signal 8, which outputs the evaluation unit 7, is in this second embodiment, however, not directly to the protection device 10. Rather, the second embodiment 11 a battery monitoring unit 12, which is woken up by the output signal 8 of the evaluation unit 7, in the awake state evaluates a situation of the energy storage and outputs the activation signal 13 to the protection device when the situation of the energy storage is assessed as an exceptional situation.
  • Such an exceptional situation may be present, for example, when the temperature difference measured by the temperature measuring element exceeds a predetermined limit value.
  • FIG. 4 illustrates a third embodiment of a battery safety system according to the invention.
  • the battery safety system 14 comprises a temperature measuring element 15 with a first contact element 16 and a second contact element 17, which consist of different metals, for example copper or platinum.
  • the first contact element 16 is in thermal contact with an energy store 19 via a first ceramic layer 18.
  • the ceramic layer 18 is characterized in that it is a very good heat conductor, but a very poor electrical conductor, so that a thermal coupling between the first Contact element 16 and the energy storage 19 is formed, without resulting in an electrical connection.
  • the second contact element 17 is in thermal contact via a second ceramic layer 20 with the body of a vehicle 21.
  • the body 21 has a reference temperature, which differs from a temperature of the energy storage 19 in the rule.
  • the prevailing between the first contact element 16 and the second contact element 17 thermoelectric voltage U t is tapped via the two lines 22 and 23 and the evaluation unit 7 is provided.
  • the evaluation unit 7 is connected to the battery monitoring unit 12, which in
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of a battery safety system according to the invention.
  • This fourth embodiment 24 differs from the third embodiment 14 as shown in Fig. 4 in that a Peltier element 25 is used.
  • the Peltier element 25 consists of a plurality of p-doped semiconductor elements 26a, 26b, 26c, 26d and a plurality of n-doped semiconductor elements 27a, 27b, 27c, 27d. Two differently doped semiconductor elements are coupled to each other via metal bridges 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 28f, 28g.
  • the Peltier element 25 in turn is in thermal contact with the energy store 19 via a first ceramic layer 18 and in thermal contact with the body 21 via a second ceramic layer 20.
  • the p-doped semiconductor element 26a is connected to the line 22 via a metal bridge 29a and the n-type semiconductor element 27d is connected to the line 23 via the metal bridge 29b.
  • the lines 22 and 23 serve to tap the thermoelectric voltage U t , which is the evaluation unit 7 is supplied.
  • the evaluation unit 7 is in communication with the battery monitoring unit 12, which can supply a corresponding activation signal to the protective device 10.
  • a Peltier element can produce outputs of up to one watt with temperature differences of 60 to 80 degrees Celsius. This power may be sufficient to operate directly with the battery monitoring unit 12.
  • a buffer memory 30 is additionally provided, which collects and stores the energy obtained from the thermal voltage U t in order to enable power withdrawals of the evaluation unit 7 and of the battery monitoring unit 12, which exceed the power output of the Peltier element 25.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers (19) für ein Fahrzeug sowie ein Batteriesicherheitssystem (9, 11, 14, 24) mit einer solchen Vorrichtung und einer Schutzeinrichtung (10) zum Schutz des Energiespeichers (19). Die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung umfasst ein Temperaturmesselement (2, 15, 25) mit einem ersten Kontaktelement (3, 16, 28a, 28c, 28e, 28g) zur Herstellung eines thermischen Kontakts zum Energiespeicher und einem zweiten Kontaktelement (4, 17, 28b, 28d, 28f, 29a, 29b) zur Herstellung eines thermischen Kontaktes zu einem Element (21), das eine Referenztemperatur aufweist. Dabei ist das Temperaturmesselement derartig ausgestaltet, dass es basierend auf einem Seebeck-Effekt eine Thermospannung (Ut) erzeugt, die von einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement abhängig ist. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit (7) zum Auswerten der Thermospannung (Ut), wobei die Auswerteeinheit (7) dafür eingerichtet ist, aus der durch das Temperaturmesselement bereitgestellten Thermospannung (Ut) eine für einen Betrieb der Auswerteeinheit notwendige Energie zu gewinnen.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Temperaturüberwachung und Batteriesicherheitssystem mit einer solchen Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug mit einem Temperaturmesselement und einer Auswerteeinheit. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Batteriesicherheitssystem mit einer solchen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung und einer Schutzeinrichtung zum Schutz des Energiespeichers. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, welches mit einer entsprechenden Vorrichtung zur Temperaturüberwachung bzw. einem entsprechenden Batterie- Sicherheitssystem ausgestattet ist.
Im Fahrzeugbereich, insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz. Um einen sicheren Betrieb der Energiespeicher unter den gegebenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, ist eine Temperaturüberwachung der Energiespeicher notwendig. Diese Überwachung kann bei stationären Batteriesystemen permanent erfolgen, da eine Absicherung der Stromversorgung meistens aus dem Netz gewährleistet ist und im Falle eines Stromausfalls die für den Betrieb der Überwachungseinheit notwendige Energie für eine kurze Überbrückungszeit von der Batterie bereitgestellt werden kann .
Bei langen Ausfallzeiten und kleineren Batteriesystemen, bzw. bei Fahrzeugbatterien mit langen Standzeiten, kann die Energieversorgung der Überwachungselektronik nicht permanent gewährleistet werden. Insbesondere bei Systemen auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien ist eine permanente Überwachung der Batteriesysteme jedoch absolut notwendig.
Der Grund hierfür ist die Gefahr der Bildung von Dendriten an der negativen Elektrode (Anode), die zu einem Durchstoßen des Separators und zu einem Kurzschluss der Batteriezellen führen können. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem thermischen Durchgehen der Batterie mit hoher Hitzeentwicklung. Durch diese Übertemperatur kann es zu Explosionen mit anschließendem Brand des Energiespeichers kommen.
Um dieses Problem zu vermeiden, müssen die Einzelzelltemperaturen der seriell und/oder parallel verschalteten Zellen des Energiespeichers beim Betrieb des Fahrzeugs und beim Parken überwacht werden. Für diese Überwachung werden die Temperaturen der Zellen in der Regel mit einem Thermoelement gemessen. Das gemessene Signal wird mittels einer Auswerteelektronik ausgewertet .
Die EP 1 070 944 AI stellt ein Beispiel dieses Prinzips dar. Die Energiespeicher sind mit einem Messelement thermisch gekoppelt, dessen Widerstand von seiner Temperatur abhängt. Mittels einer Spannungsquelle wird an dieses Element eine Spannung angelegt und der resultierende Strom durch eine Auswerteelektronik gemessen. Da der Strom bei einer bekannten Spannung vom Widerstand des Messelementes abhängt, kann aufgrund des gemessenen Stroms die Temperatur des Messelementes und damit des Energiespeichers ermittelt werden. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass bei diesem Prinzip eine nicht unerhebliche Energie verbraucht wird.
Daher ist es üblich, dass solche Systeme periodisch in einen Schlafmodus fallen, um den Energieverbrauch zu verringern . Inder Praxis, insbesondere bei Energiespeichern in Hybrid-Fahrzeugen, wird die Überwachungselektronik also so betrieben, dass diese zyklisch aufwacht und den Zustand der Zellen des Energiespeichers abfragt. Das kann z. B. einmal pro Stunde passieren. Dadurch wird gewährleistet, dass bei einer längeren Standzeit des Fahrzeugs, z. B. beim Parken am Flughafen, die Elektronik nicht die gesamte Energie im Energiespeicher verbraucht. Dies führt jedoch auch zu Lücken in der Überwachung, wodurch Fehlfunktionen des Energiespeichers möglicherweise nicht rechtzeitig erkannt und somit Gegenmaßnahmen nicht rechtzeitig eingeleitet werden. Als Gegenmaßnahmen sind beispielsweise eine Trennung des Energie- Speichers vom Kabelbaum oder eine Kühlung des Energiespeichers denkbar .
Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug bereitzustellen, die eine Temperatur des elektrischen Energiespeichers möglichst zuverlässig überwacht und dabei möglichst wenig Energie verbraucht .
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst . Die abhängigen Ansprüche geben Ausführungsformen der Erfindung an .
Dementsprechend umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug mit einem Temperaturmesselement und einer Auswerteeinheit. Das Temperaturmesselement umfasst ein erstes Kontaktelement zur Herstellung eines thermischen Kontakts zum Energiespeicher und ein zweites Kontaktelement zur Herstellung eines thermischen Kontaktes zu einem Element, das eine Referenztemperatur aufweist. Dabei ist das Temperaturmesselement derartig ausgestaltet, dass es basierend auf einem
Seebeck-Effekt eine Thermospannung erzeugt, die von einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement abhängig ist. Die Auswerteeinheit dient der Auswertung der Thermospannung und ist erfindungsgemäß dafür eingerichtet, aus der durch das Temperaturmesselement bereitgestellten Thermospannung eine für einen Betrieb der Auswerteeinheit notwendige Energie zu gewinnen.
Der Seebeck-Effekt ist aus dem Stand der Technik bekannt und beschreibt das Phänomen, dass an einer Kontaktstelle zweier Metalle oder Halbleiter mit unterschiedlichen Temperaturen eine elektrische Spannung, die sogenannte Thermospannung, entsteht. Bei einem geschlossenen Stromkreis fließt in Folge der Thermospannung ein elektrischer Strom, der als Thermostrom bezeichnet wird. Da die Auswerteeinheit mit Energie betrieben wird, die aus der Thermospannung gewonnen wird, benötigt die Auswerteeinheit keine Batterie. Die Energie, die die Vorrichtung zur Temperatur- Überwachung benötigt, stellt diese Vorrichtung sozusagen selber her, so dass auf eine externe Energiezufuhr verzichtet werden kann. Sollte die Temperaturdifferenz sehr klein sein, kann die Auswerteeinheit zwar nicht betrieben werden, es liegt aber auch keine Gefahrensituation vor, da eine Überhitzung des Ener- giespeichers offensichtlich nicht gegeben ist.
In einer Ausführungsform umfasst das Temperaturmesselement ein Peltier-Element . Ein solches Peltier-Element weist in der Regel zwei oder mehrere abwechselnd p- und n-dotierte Halbleiter- elemente auf, wobei häufig jeweils zwei Halbleiterelemente durch Metallbrücken miteinander verbunden sind, so dass eine Art Reihenschaltung entsteht. Peltier-Elemente besitzen gegenüber aneinander grenzenden Metallen den Vorteil, dass sie eine vergleichsweise höhere Leistung bereitstellen können.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, ein Ausgangssignal auszugeben, wenn die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Auf diese Weise können mittels des Ausgangs Signals externe Empfänger benachrichtigt werden, wenn möglicherweise eine Überhitzung des Energiespeichers vorliegt.
Zusätzlich umfasst die Erfindung ein Batteriesicherheitssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüber- wachung sowie einer Schutzeinrichtung zum Schutz des Energiespeichers . Dabei ist die Schutzeinrichtung dazu eingerichtet, über ein Aktivierungssignal aktiviert zu werden. Bei der Schutzeinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Kühlsystem zum Kühlen des Energiespeichers, ein Löschsystem zum Löschen des Energiespeichers oder einen Leistungstrenner zum Trennen des Energiespeichers von einem Kabelbaum des Fahrzeugs handeln. Darüber hinaus kann die Schutzeinrichtung auch ein Alarmsystem zum Ausgeben eines Alarmsignals und/oder zum Versenden einer Alarmnachricht über ein mobiles Kommunikationssystem umfassen. Beispielsweise kann das Alarmsystem dazu eingerichtet sein, über ein zelluläres Mobilfunknetz eine SMS (short message Service) auszusenden. Die genannten Schutzeinrichtungen können natürlich auch miteinander kombiniert werden. Im Extremfalle umfasst die Schutzeinrichtung also nicht nur ein Kühlsystem, ein Löschsystem und einen Leistungstrenner, sondern darüber hinaus noch ein Alarmsystem . Die Schutzeinrichtung ermöglicht es, nachdem eine Überhitzung des Energiespeichers detektiert wurde, entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, die beispielsweise einen Brand des Energiespeichers verhindern. Bei einer Ausführungsform ist das Batteriesicherheitssystem derartig ausgestaltet, dass das Ausgangssignal der Auswerteeinheit der Schutzeinrichtung als Aktivierungs Signal zugeführt wird. Die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung überwacht bei dieser Ausführungsform also unabhängig von externen Energie- guellen die Temperatur des Energiespeichers und aktiviert die Schutzeinrichtung, wenn eine Überhitzung des Energiespeichers vorliegt .
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Batterie- Sicherheitssystem darüber hinaus eine Batterieüberwachungseinheit. Diese Batterieüberwachungseinheit ist dazu eingerichtet, über ein Aufwecksignal aufgeweckt zu werden, im wachen Zustand eine Situation des Energiespeichers zu bewerten und das Aktivierungssignal an die Schutzeinrichtung auszugeben, wenn die Situation als Ausnahmesituation bewertet wird. Zusätzlich ist das Batteriesicherheitssystem derartig ausgestaltet, dass die Auswerteeinheit ihr Ausgangs Signal der Batterieüberwachungseinheit als Aufwecksignal zuführt. Somit wird bei dieser Ausführungsform das Ausgangssignal der Auswerteeinheit nicht der Schutzeinrichtung direkt zugeführt. Vielmehr weckt das Ausgangssignal der Auswerteeinheit zunächst die Batterieüberwachungseinheit auf, die das Ergebnis der Auswerteeinheit zum Beispiel noch einmal plausibilisiert und/oder überprüft, die Schutzeinrichtung aktiviert wird.
Es ist denkbar, dass auch die Batterieüberwachungseinheit mit Energie betrieben wird, die aus der Thermospannung gewonnen wird. In diesem Falle ist das Batteriesicherheitssystem also dafür eingerichtet, aus der durch das Temperaturmesselement bereitgestellten Thermospannung eine für einen Betrieb der Batterieüberwachungseinheit notwendige Energie zu gewinnen . Dadurch benötigt die Batterieüberwachungseinheit keine externe Energieversorgung .
Zumeist benötigt die Batterieüberwachungseinheit deutlich mehr Energie als die Auswerteeinheit, so dass es sinnvoll sein kann, die aus der Thermospannung gewonnene Energie über einen größeren Zeitraum zu sammeln und zu speichern. Daher weist das Batteriesicherheitssystem in einer Ausführungsform einen Zwischenspeicher zum Sammeln und Speichern von aus der Thermospannung gewonnener Energie auf. Bei diesem Zwischenspeicher kann es sich insbesondere um einen Kondensator oder um eine Festkörperbatterie handeln. Ein solcher Zwischenspeicher erlaubt es, selbst solche Batterieüberwachungseinheiten mittels der aus der Thermospannung gewonnenen Energie zu betreiben, die eine Leistungsaufnahme aufweisen, die die Leistungsabgabe des Temperaturmesselements deutlich übersteigt.
Zusätzlich umfasst die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung oder einem erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystem. Das Fahrzeug weist eine Karosserie auf, die eine Referenztemperatur zur Verfügung stellt, mit der das zweite Kontaktelement des Temperaturmesselements im thermischen Kontakt steht.
Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Dabei zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug;
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
BatterieSicherheitssystems ;
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
BatterieSicherheitssystems ;
Figur 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesicherheitssystems und
Figur 5 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesicherheitssystems .
Gleiche und wirkungsgleiche Elemente sind in den Figuren, sofern nicht anderweitig angegeben, mit denselben Bezugszeichen versehen .
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers für ein Fahrzeug. Die gezeigte Vorrichtung 1 umfasst ein Temperaturmesselement 2 mit einem ersten Kontaktelement 3 zur Herstellung eines thermischen Kontakts zum Energiespeicher und einem zweiten Kontaktelement 4 zur Herstellung eines thermischen Kontaktes zu einem Element, das eine Referenztemperatur aufweist. Das Temperaturmesselement 2 ist derartig ausgestaltet, dass es basierend auf dem Seebeck-Effekt eine Thermospannung Ut erzeugt, die von einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement 3, 4 abhängig ist. Über zwei Leitungen 5, 6 wird diese Thermospannung Ut einer Auswerteeinheit 7 zur Verfügung gestellt, die diese auswertet. Die Auswerteeinheit 7 ist dabei dafür eingerichtet, aus der durch das Temperaturmesselement 2 bereitgestellten Thermospannung Ut eine für den Betrieb der Auswerteeinheit 7 notwendige Energie zu gewinnen. Darüber hinaus besitzt die Auswerteeinheit die Fähigkeit, ein Ausgangssignal, das durch den Pfeil 8 symbolisiert wird, auszugeben, wenn die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Die Figur 2 illustriert eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems 9, die die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperaturüberwachung 1 umfasst. Wie oben beschrieben wurde, kann die Auswerteeinheit 7 dieser Vorrichtung 1 ein Ausgangssignal 8 ausgeben. Das Ausgangssignal gelangt zu einer Schutzeinrichtung 10 zum Schutz des Energiespeichers, wo das Ausgangs Signal 8 als Aktivierungssignal aufgefasst wird und zu einer Aktivierung der Schutzeinrichtung 10 führt.
Die Schutzeinrichtung 10 kann ein oder mehrere der folgenden Elemente bzw. Systeme umfassen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Schutzeinrichtung ein Kühlsystem aufweist, mit dessen Hilfe es möglich ist, den Energiespeicher zu kühlen, um so eine Überhitzung des Energiespeichers zu verhindern. In Extremfällen kann der Energiespeicher sogar in Brand geraten. Für diese Fälle kann die Schutzeinrichtung mit einem Löschsystem zum Löschen des Energiespeichers ausgestattet sein. In vielen Fällen wird es bereits ausreichen, den Energiespeicher vom Kabelbaum des Fahrzeugs zu trennen. Dies kann mittels eines Leistungstrenners erfolgen. Darüber hinaus kann die Schutzeinrichtung 10 ein Alarmsystem zum Ausgeben eines Alarmsignals aufweisen. Ein solches Alarmsignal kann beispielsweise ein akustisches oder auch ein visuelles Signal sein. Es ist auch denkbar, dass das Alarmsystem eine Alarmnachricht versendet . Beispielsweise ist es möglich, Nachrichten über ein zelluläres Mobilfunknetz oder auch eine Car-to-Car-Verbindung oder andere Technologien zu versenden . In der Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems illustriert. Diese zweite Ausführungsform 11 umfasst wiederum die Vorrichtung zur Temperaturüberwachung 1 aus Figur 1 sowie die Schutzeinrichtung 10 aus Figur 2. Das Ausgangssignal 8, das die Auswerteeinheit 7 ausgibt, geht bei dieser zweiten Ausführungsform jedoch nicht direkt an die Schutzeinrichtung 10. Vielmehr weist die zweite Ausführungsform 11 eine Batterieüberwachungseinheit 12 auf, die durch das Ausgangs Signal 8 der Auswerteeinheit 7 aufgeweckt wird, im wachen Zustand eine Situation des Energiespeichers bewertet und das Aktivierungssignal 13 an die Schutzeinrichtung ausgibt, wenn die Situation des Energiespeichers als Ausnahmesituation bewertet wird. Eine solche Ausnahmesituation kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die durch das Temperaturmesselement gemessen Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt .
In Figur 4 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Batteriesicherheitssystems illustriert. Das Batteriesicherheitssystem 14 umfasst ein Temperaturmesselement 15 mit einem ersten Kontaktelement 16 und einem zweiten Kontaktelement 17, die aus unterschiedlichen Metallen, beispielsweise Kupfer bzw. Platin, bestehen. Das erste Kontaktelement 16 steht über eine erste Keramikschicht 18 in einem thermischen Kontakt zu einem Energiespeicher 19. Die Keramikschicht 18 zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein sehr guter Wärmeleiter, aber ein sehr schlechter elektrischer Leiter ist, so dass eine thermische Kopplung zwischen dem ersten Kontaktelement 16 und dem Ener- giespeicher 19 entsteht, ohne dass es zu einer elektrischen Verbindung kommt. Auf der anderen Seite steht das zweite Kontaktelement 17 über eine zweite Keramikschicht 20 mit der Karosserie eines Fahrzeuges 21 in einem thermischen Kontakt. Die Karosserie 21 besitzt eine Referenztemperatur, die sich von einer Temperatur des Energiespeichers 19 in der Regel unterscheidet. Die zwischen dem ersten Kontaktelement 16 und dem zweiten Kontaktelement 17 herrschende Thermospannung Ut wird über die beiden Leitungen 22 und 23 abgegriffen und der Auswerteeinheit 7 zur Verfügung gestellt. Die Auswerteeinheit 7 ist mit der Batterieüberwachungseinheit 12 verbunden, die wiederum mit der Schutzeinrichtung 10 gekoppelt ist.
In Figur 5 ist eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems dargestellt. Diese vierte Ausführungsform 24 unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform 14, wie sie in Figur 4 abgebildet ist, dadurch dass ein Peltier-Element 25 verwendet wird. Das Peltier-Element 25 besteht aus mehreren p-dotierten Halbleiterelementen 26a, 26b, 26c, 26d und mehreren n-dotierten Halbleiterelementen 27a, 27b, 27c, 27d. Jeweils zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterelemente sind über Metallbrücken 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 28f, 28g miteinander gekoppelt. Das Peltier-Element 25 steht wiederum über eine erste Keramikschicht 18 in einem thermischen Kontakt mit dem Energiespeicher 19 und über eine zweite Keramikschicht 20 in einem thermischen Kontakt mit der Karosserie 21. Das p-dotierte Halbleiterelement 26a ist über eine Metallbrücke 29a mit der Leitung 22 und das n-dotierte Halbleiterelement 27d über die Metallbrücke 29b mit der Leitung 23 verbunden. Die Leitungen 22 und 23 dienen dem Abgriff der Thermospannung Ut, die der Auswerteeinheit 7 zugeführt wird. Wie bereits mit Bezug auf Figur 4 erläutert, steht die Auswerteeinheit 7 in Verbindung mit der Batterieüberwachungseinheit 12, die ein entsprechendes Akti- vierungs Signal an die Schutzeinrichtung 10 geben kann.
Ein Peltier-Element kann bei Temperaturunterschieden von 60 bis 80 Grad Celsius durchaus Leistungen von bis zu einem Watt erzeugen. Diese Leistung kann ausreichen, um damit direkt die Batterieüberwachungseinheit 12 zu betreiben. In der Ausführungsform 24 ist jedoch zusätzlich ein Zwischenspeicher 30 vorgesehen, der die aus der Thermospannung Ut gewonnene Energie sammelt und speichert, um so Leistungsentnahmen der Auswerteeinheit 7 und der Batterieüberwachungseinheit 12 zu ermög- liehen, die die Leistungsabgabe des Peltier-Elements 25 überschreiten .
Die mit Bezug auf die Figuren gemachten Erläuterungen sind rein illustrativ und nicht beschränkend zu verstehen. An den gezeigten Ausführungsformen können viele Änderungen vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist, zu verlassen. Die Elemente der gezeigten Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, um so weitere für den Anwendungszweck optimierte Ausfüh- rungsformen bereitzustellen. Bezugszeichenliste
1 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturüberwachung
2 Temperaturmesselement
3 erstes Kontaktelement
4 zweites Kontaktelement
5 Leitung
6 Leitung
7 Auswerteeinheit
8 Ausgangssignal
9 erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesicherheitssystems
10 Schutzeinrichtung zum Schutz des Energiespeichers 11 zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesicherheits Systems
12 Batterieüberwachungseinheit
13 Aktivierungssignal
14 dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesicherheitssystems
15 Temperaturmesselement
16 erstes Kontaktelement
17 zweites Kontaktelement
18 erste Keramikschicht
19 Energiespeicher
20 zweite Keramikschicht
21 Karosserie
22 Leitung
23 Leitung
24 vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Batteriesicherheits Systems
25 Peltier-Element
26a-26d p-dotiertes Halbleiterelement
27a-27d n-dotiertes Halbleiterelement
28a-28g Metallbrücken
29a, 29b Metallbrücken
30 Zwischenspeicher

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Temperaturüberwachung eines elektrischen Energiespeichers (19) für ein Fahrzeug mit
- einem Temperaturmesselement (2, 15, 25) mit einem ersten
Kontaktelement (3, 16, 28a, 28c, 28e, 28g) zur Herstellungeines thermischen Kontakts zum Energiespeicher und einem zweiten Kontaktelement (4, 17, 28b, 28d, 28f, 29a, 29b) zur Herstellung eines thermischen Kontaktes zu einem Element (21), das eine Referenztemperatur aufweist, wobei das Temperaturmesselement derartig ausgestaltet ist, dass es basierend auf einem
Seebeck-Effekt eine Thermospannung (Ut) erzeugt, die von einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement abhängig ist, und
- einer Auswerteeinheit (7) zum Auswerten der Thermospannung (Ut) ,
- wobei die Auswerteeinheit (7) dafür eingerichtet ist, aus der durch das Temperaturmesselement bereitgestellten Thermospannung (Ut) eine für einen Betrieb der Auswerteeinheit notwendige Energie zu gewinnen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Temperaturmesselement ein Peltier-Element (25) umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (7) dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal (8) auszugeben, wenn die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt .
4. Batteriesicherheitssystem (9, 11, 14, 24) mit
- einer Vorrichtung zur Temperaturüberwachung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und
- einer Schutzeinrichtung (10) zum Schutz des Energiespeichers ( 19 ) , wobei die Schutzeinrichtung dazu eingerichtet ist, über ein Aktivierungssignal aktiviert zu werden.
5. Batteriesicherheitssystem nach Anspruch 4, wobei die Schutzeinrichtung (10) ein Kühlsystem zum Kühlen des Ener- giespeichers, ein Löschsystem zum Löschen des Energiespeichers, einen Leistungstrenner zum Trennen des Energiespeichers von einem Kabelbaum des Fahrzeugs und/oder ein Alarmsystem zum Ausgeben eines Alarmsignals und/oder zum Versenden einer Alarmnachricht über ein mobiles Kommunikationssystem umfasst.
6. Batteriesicherheitssystem (9) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Batteriesicherheitssystem derartig ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal (8) der Auswerteeinheit (7) der Schutz- einrichtung (10) als Aktivierungs Signal zugeführt wird.
7. Batteriesicherheitssystem (11, 14, 24) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Batteriesicherheitssystem weiterhin eine Batterieüberwachungseinheit (12) umfasst, die dazu eingerichtet ist, über ein Aufwecksignal aufgeweckt zu werden, im wachen Zustand eine Situation des Energiespeichers (19) zu bewerten und das Aktivierungssignal (13) an die Schutzeinrichtung (10) auszugeben, wenn die Situation als Ausnahmesituation bewertet wird, wobei das Batteriesicherheitssystem derartig ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal (8) der Auswerteeinheit (7) der Batterieüberwachungseinheit (12) als Aufwecksignal zugeführt wird .
8. Batteriesicherheitssystem nach Anspruch 7, wobei das Batteriesicherheitssystem dafür eingerichtet ist, aus der durch das Temperaturmesselement bereitgestellten Thermospannung eine für einen Betrieb der Batterieüberwachungseinheit notwendige Energie zu gewinnen.
9. Batteriesicherheitssystem (24) nach Anspruch 8, wobei das Batteriesicherheitssystem einen Zwischenspeicher (30) zum
Sammeln und Speichern von aus der Thermospannung (Ut) gewonnener Energie, insbesondere einen Kondensator oder eine Festkörperbatterie, umfasst.
10. Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 oder einem Batteriesicherheitssystem nach Anspruch 4 bis 9, wobei das Fahrzeug eine Karosserie (21) aufweist und das zweite Kontaktelement (17, 28b, 28d, 28f, 29a, 29b) des Temperatur- mes selementes (15, 25) im thermischen Kontakt mit der Karosserie (21) steht.
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