WO2021198518A1 - Überwachungsverfahren und überwachungseinrichtung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a monitoring method and a monitoring device for a battery storage device for implementing the monitoring method.
- battery modules which are made up of a large number of battery cells, and elements for interconnecting these modules, as well as a control device that monitors charging and discharging of the battery storage system in the form of a battery management system, usually across battery modules down to one level of the individual battery cells.
- Thermal runaway generally describes overheating of an exothermic chemical reaction or of a battery storage device as a technical device that can quickly get out of control due to a self-reinforcing, heat-producing process. A thermal runaway thus often leads to fire or even explosion and consequently causes the respective equipment to be destroyed.
- a short-circuit current that develops can heat up the area around the damaged area through the internal resistance to such an extent that the surrounding areas also be affected. This process expands unchecked and releases the energy stored in this battery cell in a short time.
- the thermal runaway of a single elementary battery cell in a large battery storage device can lead to the battery module bursting due to the associated excess pressure.
- the thermal runaway of a single battery cell can also trigger a domino effect in the form of thermal propagation, i.e. the spread of a thermal event from one battery cell to at least one neighboring battery cell in the battery storage device concerned.
- a modern battery management system ensures in its operation that the respective battery storage does not leave its specified work area. For this purpose, the charging and discharging currents, the respective cell voltages and a temperature are measured extremely precisely. In normal operation, a battery management system provides effective protection; any thermal runaway must be prevented. But already that The scenario outlined above of a single internal short circuit in a battery cell shows that no battery management system alone is able to detect a thermal runaway quickly and reliably, although it is known to use several temperature sensors distributed over a battery storage device, as well a use of ventilators or ventilators to generate a forced convection within the battery storage, pressure sensors, etc.
- DE 10 2012 223 480 A1 discloses a device for monitoring at least one parameter of a battery cell using sensors for detecting pressure, temperature, gas and a fluid within a pressure-tight housing of a battery cell. In the device, these sensors are connected to a control device for data evaluation and storage.
- DE 102015 002 080 A1 also knows a large number of error cases in an electrical energy store and regards a temperature rise within an energy store as the primary variable for the detection of a critical state.
- a temperature measurement is, however, supplemented by additional sensor signals, such as arrangements for detecting smoke using several light sources and light detectors, in order to determine the presence of smoke or dust particles in a free connection route based on a weakening of a received signal.
- An arrangement on a control unit reduces the installation space required for a monitoring device. It is therefore the object of the present invention to create a compact monitoring device for a battery storage device of the type mentioned with an improved possibility for Detek tion of thermal runaway, which is particularly energy-efficient.
- this object is achieved by the features of claim 1 through a monitoring method that evaluates signals, the signal of the pressure sensor being used to switch all other sensors into an active measurement mode and then to evaluate signals from various sensors for plausibility checking.
- the pressure sensor is used to switch or wake up all other sensors from an energy-saving to an active measuring state.
- a monitoring device for a battery storage, which is arranged within the battery storage and / or within battery modules of the battery storage, and comprises a pressure sensor, a smoke detector and a temperature sensor, which are connected to an evaluation unit, is characterized in that the monitoring device is designed to be switched on by a signal from a pressure sensor with all sensors in an active measurement mode and to carry out a plausibility check in the evaluation unit on the basis of signals from various types of sensors.
- the invention is essentially based on the knowledge that all sensors have both advantages and disadvantages when it comes to detecting thermal runaway.
- a pressure increase within a closed housing for example a module
- an increase in pressure is primarily only a reliable signal that a cell has been degassed.
- Such degassing of a cell can also occur if the cell in which the pressure is increasing is artificially short-circuited.
- a degassed cell not yet a sure indication of a critical condition, such as a thermal runaway in particular.
- it can take a very long time before a temperature rise is measured, at least if the location of a thermal runaway is far away from a temperature sensor. As a result, valuable time can be lost by evaluating a temperature increase compared to that of a pressure increase.
- the monitoring device is designed to be switched on by a signal from a pressure sensor in order to switch from a state of very low own energy consumption to an active measurement mode with a plausibility check.
- Tests have shown that if there is a thermal runaway in a closed module, a pressure increase occurs as the first measured variable, followed by smoke development and temperature increase.
- the monitoring device is arranged as a unit in, on and / or on a housing of the smoke detector.
- a combination of several detection possibilities with several different types of sensors in a monitoring device to form a compact, independent component creates the possibility of a quick and reliable plausibility check of a possible fault condition due to the short line lengths.
- all sensors and the evaluation unit of the monitoring device are arranged in a space-saving manner in, on or on a gas-open and light-absorbing labyrinth body of the smoke detector.
- Short distances between the individual sensor Signals for an evaluation facilitate quick plausibility checks, reduce susceptibility to failure and the possibility of damage in the event of an error and also lead to a compact structure of the monitoring device, which is limited by the minimum size of a smoke detector housing required for physical reasons.
- At least individual sensor functions of the monitoring device are advantageously provided multiple or redundantly.
- a failure of a sensor of one type does not restrict the basic functionality of the proposed monitoring device and certainly does not lead to a failure of the monitoring device.
- redundancy is created in a smoke detector in that two transmitting diodes and two receiving diodes are provided in each case. These two transmitting diodes and two receiving diodes are grouped in pairs or designed to be activated in pairs, so that only one transmitting diode and one associated receiving diode are activated.
- the two transmitting diodes and two receiving diodes are arranged next to each other in a gas-open and light-absorbing labyrinth body, depending on the beam path, or one above the other.
- all sensors of the monitoring device are arranged close to a common housing or a gas-open and lichtabsorbie-generating labyrinth body of the smoke detectors to save space.
- the monitoring device is therefore so compact that a dedicated circuit board as a circuit carrier with means for fixing the entire monitoring device at a place of use can even be largely dispensed with.
- a Hall sensor and / or a capacitive device for measuring pressure is provided. Using a Hall sensor and / or a capacitive device, for example in the form of an oscillating circuit, for pressure measurement, additional sensors can be activated quickly and easily electrically to check the plausibility of a hazard in the form of thermal runaway.
- threshold values for the sensors are stored in the evaluation unit.
- threshold values for the respective sensors are stored in the evaluation unit, which either come from a series of fixed values or are learned in the context of error-free continuous operation for a specific application in each case. This will be discussed in detail below with reference to an exemplary embodiment.
- a monitoring device of the type mentioned with a connection to the BMS is provided in each battery module of the battery storage device. In this way, a maximum of safety is created by monitoring an electrical storage unit for critical states without interfering with the structure of the individual cells themselves.
- a monitoring device for the earliest and most reliable detection of a thermal runaway in a battery store or its subordinate units is created.
- a use of several such monitoring devices in one battery module is easily possible due to its small size and negligible energy consumption.
- Figure 1 a plan view of an embodiment of a monitoring device
- FIG. 2 a side view of a section plane AA through a smoke detector in FIG. 1.
- FIG. 1 shows a plan view of an exemplary embodiment of a monitoring device 1, as it is arranged within a battery store, not shown, and / or which is arranged within battery modules of the battery store.
- the monitoring device 1 is provided as a unit with several different types of sensors 2, which are connected on a common circuit board 3 with an evaluation unit 4 via short line sections L for power supply and signal transmission. On details of a supply of electrical energy and internal management of the Control and / or measurement signals are not to be entered here in detail.
- the monitoring device 1 can also be arranged in closed battery modules close to the elementary battery cells. Error signals or warnings are sent by the monitoring devices 1 directly to a battery management system BMS of the battery store for further processing.
- the monitoring device 1 comprises, for example, the following sensors 2: pressure sensors 5, smoke detectors 6 and temperature sensors 7. All of the types of sensors 2 mentioned are provided redundantly in the monitoring device 1 and, to save space, close to a common housing or a gas-opener shown below and lichtabsorbie-generating labyrinth bodies of the smoke detectors 6 are arranged. The failure of one sensor 2 of one type in each case therefore does not lead to a restriction or even failure of the entire monitoring device 1.
- FIG. 2 is a side view of a section plane AA through the smoke detector 6 of FIG. This figure shows that redundancy is created in the smoke detector 6 in that two transmitting diodes 8 and two receiving diodes 9 are provided in an arrangement next to or above one another in a gas-open and light-absorbing labyrinth body 10.
- the smoke detector 6 or smoke alarm there is a light source and a Fotoele element.
- a beam 11 emitted by the transmitting diode 8 does not hit the photo element-acting receiving diode 9. If, however, there is a sufficient concentration of smoke or dust particles 12 in the labyrinth body 10, this light beam 11 is broken, scattered or reflected.
- diodes 8, 9 for sending and receiving are activated in pairs, so that the size of the labyrinth body 10, which is inherent in the principle, can not be reduced, but can be used multiple times.
- failure of a pair of diodes 8, 9 in terms of redundancy does not lead to failure of the functionality of the smoke detector 6 as such.
- the housing of the labyrinth body 10 also serves as a carrier for further sensors 2 and the respective connecting line sections L to the evaluation unit 4.
- the monitoring device 1 described above is connected to the battery management system BMS of the battery store for the supply of electrical energy.
- a supply voltage is 12V.
- this monitoring device 1 is also in addition to this for a significant reduction and also to protect the electronics designed to be switched on by a signal from a pressure sensor 5 in an active measurement mode.
- a Hall sensor and a capacitive device for measuring pressure are provided as pressure sensors 5. The output signals obtained according to different physical laws can therefore already be used for a first plausibility check in the evaluation unit 4.
- threshold values for an error case are stored in the evaluation unit 4.
- these threshold values are specified as fixed values that originate from test series.
- the evaluation unit 4 can learn threshold values for the individual sensors 2 as part of error-free continuous operation for a specific use case in order to set an adapted delimitation to a possible error case.
- 6 sensors are used to analyze a gas composition and / or to detect certain gas components.
- the presence of such gas components allows conclusions to be drawn about a thermal event and thus also reduces the risk of a false alarm.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren und eine Überwachungseinrichtung für einen Batteriespeicher zur Umsetzung des Überwachungsverfahrens. Um eine kompakte Überwachungseinrichtung für einen Batteriespeicher der genannten Art mit verbesserter Möglichkeit zur Detektion eines thermischen Durchgehens zu schaffen, das besonders energieeffizient ist, wird ein Überwachungsverfahren für einen BatterieSpeicher, bei dem unter Verarbeitung von Signalen mindestens eines Drucksensors (5), eines Rauchdetektors (6) und eines Temperatursensors (7) in einer Auswertungseinheit (4) ein kritischer Zustand des Batteriespeichers und/oder innerhalb von Batteriemodulen des Batteriespeichers erkannt wird, vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass das Signal des Drucksensors (5) zum Einschalten aller übrigen Sensoren (2) in einen aktiven Messmodus und nachfolgend einer Auswertung von Signalen verschiedener Sensoren (2) zur Plausibilitätsprüfung verwendet wird.
Description
Überwachungsverfahren und Überwachungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren und eine Überwachungseinrichtung für einen Batteriespeicher zur Umsetzung des Überwachungsverfahrens.
Neben stationären Anwendungen als Notstromversorgung und Puf fer für Leistungsspitzen werden Batteriespeicher großer Kapa zität heute regelmäßig auch in Fahrzeugen als Ersatz für einen rein durch Verbrennungskraftmaschinen bewirkten Antrieb einge setzt. Diese Batteriespeicher enthalten als geschlossene Ein heiten neben Batteriemodulen, die aus einer Vielzahl von Bat teriezellen aufgebaut sind, und Elementen zur Verschaltung dieser Module auch eine Kontrolleinrichtung, die in Form eines Batteriemanagementsystems ein Laden und Entladen des Batterie speichers überwacht, und das i.d.R. über Batteriemodule hinweg bis auf eine Ebene der einzelnen Batteriezellen hinunter.
Bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen sind deren Reich weite sowie eine jeweilige Ladedauer hauptsächlich von dem Batteriespeicher abhängig. Trends in den aktuellen Entwicklun gen gehen klar dahin, eine Reichweite bei möglichst geringem Gewicht des Batteriespeichers zu maximieren und zugleich die Lebensdauer durch einen optimalen Betrieb der Batterie zu er höhen. Zugleich ist eine Ladedauer einer derartigen Batterie so weit als möglich durch Verwendung hoher Ladeströme und/oder hoher Ladespannungen zu verringern. Eine funktionale Sicher heit derartiger Batteriespeicher darf dabei auf keinen Fall beeinträchtigt werden. Großes Gefährdungspotenzial von Batte riespeichern der genannten Art geht jedoch auch heute noch von einem sogenannten „thermischen Durchgehen" aus, das in Fach kreisen mit dem englischen Begriff „Thermal runaway" belegt
ist. Das thermische Durchgehen bezeichnet generell eine Über hitzung einer exothermen chemischen Reaktion oder auch eines Batteriespeichers als einer technischen Apparatur, die auf grund eines sich selbst verstärkenden, Wärme produzierenden Prozesses schnell außer Kontrolle geraten kann. Ein thermi sches Durchgehen führt damit häufig zu Brand oder gar Explo sion und bewirkt infolgedessen eine Zerstörung einer jeweili gen Apparatur.
Kommt es in einer Batteriezelle in Form eines Lithium-Ionen- Akkumulators z.B. zu einem lokalen Kurzschluss der internen Elektroden an einer Schadstelle, so kann ein sich ausbildender Kurzschlussstrom durch den inneren Widerstand die nähere Umge bung der Schadstelle so weit aufheizen, dass die umliegenden Bereiche ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen werden. Dieser Prozess weitet sich ungebremst aus und setzt die in dieser Batteriezelle gespeicherte Energie in kurzer Zeit frei. So kann das thermische Durchgehen einer einzelnen elementaren Batteriezelle in einem großen Batteriespeicher schon durch ei nen damit einhergehenden Überdruck zu einem Zerbersten eines Batteriemodules führen. Das thermische Durchgehen schon einer einzelnen Batteriezelle kann ferner einen Domino-Effekt in Form einer thermischen Propagation auslösen, d.h. ein Über greifen eines thermischen Ereignisses von einer Batteriezelle auf mindestens eine benachbarte Batteriezelle in dem betroffe nen Batteriespeicher einer Batterie.
Ein modernes Batteriemanagementsystem stellt in seinem Betrieb sicher, dass ein jeweiliger Batteriespeicher seinen spezifi zierten Arbeitsbereich nicht verlässt. Hierfür werden die Lade- und Entladeströme, die jeweiligen Zellspannungen und eine Temperatur äußerst präzise gemessen. In einem Normalbe trieb schützt ein Batteriemanagementsystem effektiv, jedes thermische Durchgehen gilt es zu verhindern. Aber schon das
vorstehend skizzierte Szenario eines einzigen internen Kurz schlusses in einer Batteriezelle zeigt, dass kein Batteriema- nagementsystem allein dazu in der Lage ist, ein thermisches Durchgehen schnell und sicher zu detektieren, wenngleich u.a. eine Verwendung gleich mehrerer Temperatursensoren über einen Batteriespeicher verteilt bekannt ist, wie auch ein Einsatz von Ventilatoren bzw. Lüftern zur Erzeugung einer erzwungenen Konvektion innerhalb des Batteriespeichers, Drucksensoren u.a..
Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze für Überwa chungsverfahren und dementsprechende Überwachungseinrichtungen für einen Batteriespeicher bekannt. So offenbart z.B. die DE 10 2012 223 480 Al eine Vorrichtung zur Überwachung wenigstens eines Parameters einer Batteriezelle unter Verwendung von Sen soren zur Detektion von Druck, Temperatur, Gas und einem Fluid innerhalb eines druckdichten Gehäuses einer Batteriezelle. Diese Sensoren sind in der Vorrichtung mit einer Steuerein richtung zur Datenauswertung und Speicherung verbunden.
DE 102015 002 080 Al kennt ebenfalls eine Vielzahl von Feh lerfällen in einem elektrischen Energiespeicher und sieht da bei einen Temperaturanstieg innerhalb eines Energiespeichers als primäre Größe zur Detektion eines kritischen Zustands an. Eine Temperaturmessung wird aber um weitere Sensor-Signale er gänzt, wie z.B. Anordnungen zur Detektion von Rauch unter Ver wendung mehrerer Lichtquellen und Lichtdetektoren, um auf Ba sis einer Schwächung eines Empfangssignals auch die Gegenwart von Rauch oder Staubpartikeln in einer freien Verbindungsstre cke zu schließen. Durch eine Anordnung auf einem Steuergerät wird ein benötigter Bauraum einer Überwachungsvorrichtung ver kleinert .
Es besteht daher für die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine kompakte Überwachungseinrichtung für einen Batteriespei cher der genannten Art mit verbesserter Möglichkeit zur Detek tion eines thermischen Durchgehens zu schaffen, das besonders energieeffizient ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von An spruch 1 durch ein Überwachungsverfahren gelöst, dass Signale ausgewertet werden, wobei das Signal des Drucksensors zum Ein schalten aller übrigen Sensoren in einen aktiven Messmodus und nachfolgend eines Auswertung von Signalen verschiedenartiger Sensoren zur Plausibilitätsprüfung verwendet wird. Der Druck sensor wird damit verwendet, um alle übrigen Sensoren aus ei nem möglichst energiesparenden in einen aktiven Messzustand zu schalten bzw. zu wecken. Demnach zeichnet sich eine erfin dungsgemäße Überwachungseinrichtung für einen Batteriespei cher, die innerhalb des Batteriespeichers und/oder innerhalb von Batteriemodulen des Batteriespeichers angeordnet ist, und einen Drucksensor, ein Rauchdetektor und einen Temperatur sensor umfasst, die mit einer Auswertungseinheit verbunden sind, dadurch aus, dass die Überwachungseinrichtung dazu aus gebildet ist, durch ein Signal eines Drucksensors mit allen Sensoren in einen aktiven Messmodus eingeschaltet zu werden und in der Auswertungseinheit eine Plausibilitätsprüfung auf Basis von Signalen verschiedenartiger Sensoren durchzuführen.
Der Erfindung liegt im Wesentlichen die Erkenntnis zugrunde, dass alle Sensoren sowohl Vor- als auch Nachteile bei der Er kennung eines thermischen Durchgehens haben. So kann z.B. ein Druckanstieg innerhalb eines geschlossenen Gehäuses z.B. eines Moduls relativ schnell detektiert werden. Ein Druckanstieg ist aber in erster Linie nur ein sicheres Signal dafür, dass eine Zelle entgast ist. Eine solche Entgasung einer Zelle kann auch auftreten, wenn die Zelle, in welcher der Druck ansteigt, künstlich kurzgeschlossen wird. Somit ist eine entgaste Zelle
noch kein sicheres Indiz für einen kritischen Zustand, wie insbesondere ein thermisches Durchgehen. Andererseits kann es sehr lange dauern, bis ein Temperaturanstieg gemessen wird, jedenfalls dann, wenn der Ort eines thermischen Durchgehens weit von einem Temperatursensor entfernt liegt. Dadurch kann durch Auswertung eines Temperaturanstiegs gegenüber der eines Druckanstiegs wertvolle Zeit verloren gehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet, durch ein Signal eines Drucksensors einge schaltet zu werden, um von einem Zustand sehr geringen eigenen Energieverbrauchs in einen aktiven Messmodus mit einer Plausi- bilitätsprüfung zu wechseln. Versuche haben gezeigt, dass bei einem thermischen Durchgehen in einem geschlossenen Modul ein Druckanstieg als erste Messgröße auftritt, gefolgt von Rauch entwicklung und Temperaturanstieg. Diese Parameter werden nun überwacht und für eine Plausibilitätsprüfung aktiv genutzt, um in gegenüber bekannten Systemen kürzerer Zeit bei erhöhter Si cherheit Fehlalarme ausschließen zu können.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach ist die Überwachungseinrichtung als Einheit in, an und/oder auf einem Gehäuse des Rauchdetektors angeordnet. Eine Zusammenfassung mehrerer Detektionsmöglich keiten mit mehreren verschiedenartigen Sensoren in einer Über wachungseinrichtung zu einem kompakten, eigenständigen Bauteil schafft schon aufgrund der geringen Leitungslängen die Mög lichkeit einer noch schnellen und zuverlässigen Plausibilisie rung eines möglichen Fehlerzustands.
Vorzugsweise sind alle Sensoren und die Auswertungseinheit der Überwachungseinrichtung platzsparend in, an oder auf einem Gas-offenen und lichtabsorbierenden Labyrinth-Körper des Rauchdetektors angeordnet. Kurze Wege der einzelnen Sensor-
Signale zu einer Auswertung begünstigen die schnelle Plausibi lisierung, senken eine Störanfälligkeit sowie Möglichkeiten der Beschädigung im Fehlerfall und führen zudem zu einem kom pakten Aufbau der Überwachungseinrichtung, die ihre Grenzen in einer aus physikalischen Gründen benötigten Mindestgröße eines Gehäuses des Rauchdetektors findet.
Vorteilhafterweise sind in einer Weiterbildung der Erfindung zu mindest einzelne Sensorfunktionen der Überwachungseinrichtung mehrfach oder redundant vorgesehen. Ein Ausfall eines Sensors einer Art schränkt die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der vorgeschlagenen Überwachungseinrichtung damit nicht ein und führt schon gar nicht zu einem Ausfall der Überwachungseinrich tung.
In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist in einem Rauchdetektor dadurch Redundanz geschaffen, dass jeweils zwei Sende-Dioden und zwei Empfangsdioden vorgesehen sind. Diese je weils zwei Sende-Dioden und zwei Empfangsdioden sind paarweise gruppiert bzw. zur jeweils paarweisen Aktivierung ausgebildet, so dass jeweils nur eine Sende-Diode und eine zugehörige Emp fangsdiode aktiviert sind. Die zwei Sende-Dioden und zwei Emp fangsdioden sind je nach Strahlengang neben-einander in einem gasoffenen und licht-absorbierenden Labyrinth-Körper angeordnet oder übereinander.
In einer Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung sind alle Sensoren der Überwachungseinrichtung platzsparend eng an einem gemeinsamen Gehäuse bzw. einem Gas-offenen und lichtabsorbie renden Labyrinth-Körper der Rauchdetektoren angeordnet. Die Überwachungseinrichtung baut damit so kompakt, dass auf eine eigene Platine als Schaltungsträger mit Mittel zur Fixierung der gesamten Überwachungseinrichtung an einem Einsatzort sogar weitgehend verzichtet werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Hall-Sensor und/oder eine kapazitive Einrichtung zur Druckmessung vorgese hen. Unter Verwendung eines Hall-Sensors und/oder einer kapazi tiven Einrichtung, beispielsweise in Form eines Schwingkreises, zur Druckmessung können zur Plausibilisierung eines Gefahren falls in Form eines thermischen Durchgehens weitere Sensoren einfach und schnell elektrisch aktiviert werden.
Vorteilhafterweise sind zu den Sensoren Schwellwerte in der Auswertungseinheit gespeichert abgelegt. Gemäß einer wesentli chen Weiterbildung des Überwachungsverfahrens werden zu den jeweiligen Sensoren Schwellwerte in der Auswertungseinheit ge speichert, die entweder als Festwerte Versuchsreihen entstam men, oder im Rahmen eines fehlerlosen Dauerbetriebs für einen jeweils konkreten Einsatzfall erlernt werden. Hierauf wird un ter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel noch im Detail ein gegangen werden.
Bevorzugt wird, dass in jedem Batteriemodul des Batteriespei chers eine Überwachungseinrichtung der genannten Art mit An bindung an das BMS vorgesehen ist. Damit wird ohne Eingriff in den Aufbau der einzelnen Zellen selber ein Maximum an Sicher heit durch eine Überwachung eines elektrischen Speichers auf kritische Zustände geschaffen.
Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung wird eine Überwachungs einrichtung zur möglichst frühzeitigen und zuverlässigen Erken nung eines thermischen Durchgehens in einem Batteriespeicher o- der dessen untergeordneten Einheiten geschaffen. Ein Einsatz auch mehrerer derartiger Überwachungseinrichtungen in einem Bat teriemodul ist aufgrund geringer eigener Größe und vernachläs sigbarer Energieaufnahme problemlos möglich.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsge mäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbei spiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1: eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungseinrichtung und
Figur 2: eine seitliche Ansicht einer Schnittebene A - A durch einen Rauchdetektor in Figur 1.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne eine Beschränkung des Einsatzfeldes wird nachfolgend nur auf einen Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem mobilen Batteriespeicher eingegangen, insbesondere also für ein Fahr zeug. Dem Fachmann ist aber ohne weiteres ersichtlich, dass erfindungsgemäße Vorrichtungen auch sehr vorteilhaft bei sta tionären Energiespeichern Verwendung finden können, insbeson dere in Verbindung von Notstrom-, Windkraft- und/oder Photo- voltaik-Anlagen sowie vergleichbaren elektrischen Zwischen speichern.
Die Skizze von Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausfüh rungsbeispiel einer Überwachungseinrichtung 1, wie sie inner halb eines nicht weiter dargestellten Batteriespeichers und/o der innerhalb von Batteriemodulen des Batteriespeichers ange ordnet ist. Die Überwachungseinrichtung 1 ist als Einheit mit mehreren verschiedenartigen Sensoren 2 versehen, die auf einer gemeinsamen Platine 3 mit einer Auswertungseinheit 4 über kurze Leitungsstücke L zur Energieversorgung sowie Signalüber mittelung verbunden sind. Auf Details einer Versorgung mit elektrischer Energie sowie einem internen Management der
Steuer- und/oder Messsignale soll hier nicht im Detail einge gangen werden. Damit ergibt sich die Überwachungseinrichtung 1 als ein insgesamt sehr kompaktes Bauteil, das innerhalb des Batteriespeichers selber an mehreren Stellen fixiert ist, z.B. durch Verschraubung, Klebung, Verrastung oder dauerhafte Klem mung. Die Überwachungseinrichtung 1 kann aber auch in ge schlossenen Batteriemodulen nahe an den elementaren Batterie zellen angeordnet sein. Fehlersignale bzw. Warnungen werden von den Überwachungseinrichtungen 1 direkt an ein Batterie-Ma- nagement-System BMS des Batteriespeichers zur weiteren Verar beitung übersandt.
Die Überwachungseinrichtung 1 umfasst in diesem Ausführungs beispiel folgende Sensoren 2: Drucksensoren 5, Rauchdetektoren 6 und Temperatursensoren 7. Alle genannten Arten von Sensoren 2 sind in der Überwachungseinrichtung 1 redundant vorgesehen und platzsparend eng an einem gemeinsamen Gehäuse bzw. einem nachfolgend noch dargestellten Gas-offenen und lichtabsorbie renden Labyrinth-Körper der Rauchdetektoren 6 angeordnet. Der Ausfall jeweils eines Sensors 2 einer Art führt also nicht zu einer Einschränkung oder gar einem Ausfall der gesamten Über wachungseinrichtung 1.
Figur 2 ist eine seitliche Ansicht einer Schnittebene A - A durch den Rauchdetektor 6 von Figur 1 hindurch. Durch diese Abbildung wird erkennbar, dass in dem Rauchdetektor 6 dadurch Redundanz geschaffen wird, dass jeweils zwei Sende-Dioden 8 und zwei Empfangsdioden 9 in einer Anordnung neben- oder über einander in einem Gas-offenen und lichtabsorbierenden Laby rinth-Körper 10 vorgesehen sind. In dem Rauchdetektor 6 bzw. Rauchmelder befinden sich eine Lichtquelle und ein Fotoele ment. Im Normalzustand ist nur saubere Luft in der durch den Labyrinth-Körper 10 gebildeten Rauchkammer. Ein von der Sende- Diode 8 ausgesandter Strahl 11 trifft nicht auf die als Foto-
element wirkende Empfangsdiode 9. Liegt hingegen eine ausrei chende Konzentration an Rauch oder Staubpartikeln 12 in dem Labyrinth-Körper 10 vor, so wird dieser Lichtstrahl 11 gebro chen, zerstreut oder reflektiert. Wenn dies eintritt, treffen Strahlen 13 des gestreuten Infrarotsignals auf den in Laby rinth-Körper 10 befindlichen Sensor 9. Dieser Sensor 9 wird unter normalen Umständen, in denen keine Rauchpartikel 12 in dem Labyrinth-Körper 10 sind, nicht angestrahlt. Der Strahl 11 kann demnach nur dann teilweise auf den Sensor 9 treffen, wenn er auch abgelenkt wird. Sobald dies der Fall ist, schlägt der Rauchdetektor 6 als Melder Alarm, da nur die Anwesenheit von Rauch 12 den Empfang von Streulicht 13 bewirken kann. Zudem kann Rauch 12 innerhalb des geschlossenen Gehäuses des Batte riespeichers unter Voraussetzung eines entsprechenden Anstiegs des internen Drucks als eindeutiges Indiz für ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle und mithin für das Vorliegen einer ernsten Gefahr gewertet werden.
Diese Dioden 8,9 zum Senden wie zum Empfangen werden jeweils paarweise aktiviert, so dass eines prinzipbedingte Größe des Labyrinth-Körpers 10 zwar nicht gesenkt, aber mehrfach genutzt werden kann. Auch hier führt ein Ausfall eines Dioden-Paars 8,9 im Sinne einer Redundanz nicht zu einem Ausfall der Funk tionalität des Rauchdetektors 6 als solchen. Ferner dient das Gehäuse des Labyrinth-Körpers 10 ja auch als Träger weiterer Sensoren 2 und der jeweils verbindenden Leitungsstücke L zu der Auswertungseinheit 4 hin.
Die vorstehend beschriebene Überwachungseinrichtung 1 ist zur Versorgung mit elektrischer Energie an das Batterie-Manage- ment-System BMS des Batteriespeichers angeschlossen. Eine Ver sorgungsspannung beträgt 12V. Grundsätzlich ist ein Energiebe darf einer derartigen Überwachungseinrichtung 1 vergleichs weise gering. Zur deutlichen Senkung und auch zur Schonung der Elektronik ist diese Überwachungseinrichtung 1 aber zudem dazu
ausgebildet, durch ein Signal eines Drucksensors 5 in eine ak tiven Messmodus eingeschaltet zu werden. Dazu sind in diesem Ausführungsbeispiel als Drucksensoren 5 je ein Hall-Sensor und eine kapazitive Einrichtung zur Druckmessung vorgesehen. Die nach unterschiedlichen physikalischen Gesetzen erhaltenen Aus gangssignale können daher schon für eine erste Plausibilitäts prüfung in der Auswertungseinheit 4 herangezogen werden.
Weiter werden zur Senkung der Gefahr von Fehlalarmen zu den jeweiligen Sensoren 2 Schwellwerte für einen Fehlerfall in der Auswertungseinheit 4 gespeichert abgelegt. Diese Schwellwerte sind im vorliegenden Fall als Festwerte, die Versuchsreihen entstammen, vorgegeben. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Erlernen von Schwellwerten für die ein zelnen Sensoren 2 durch die Auswertungseinheit 4 im Rahmen ei nes fehlerlosen Dauerbetriebs für einen jeweils konkreten Ein satzfall möglich, um damit eine jeweils angepasste Abgrenzung zu einem möglichen Fehlerfall einzustellen.
In einem weiteren nicht zeichnerisch dargestellten Ausfüh rungsbeispiel werden statt der dargestellten Rauchdetektoren 6 Sensoren zur Analyse einer Gaszusammensetzung und/oder zur De tektion bestimmter Gasbestandteile verwendet. Ein Vorhanden sein derartiger Gasbestandteile lässt einen Rückschluss auf ein thermisches Ereignis zu und mindert damit ebenfalls das Risiko eines Fehlalarms.
Vorstehend ist damit der Aufbau eines zuverlässigeren Sensor systems durch Verwendung verschiedenartiger Sensorarten be schrieben worden, die gegenseitig zur Verifikation eines kri tischen Zustands innerhalb einer Batteriezelle genutzt werden. Zudem wird eine möglichst kompakte Anordnung auch mit redun danten Sensorgruppen realisiert, die durch eine Art von Auf weckprozedur zudem sehr energieeffizient arbeitet.
Bezugszeichenliste
Überwachungseinrichtung
Sensor gemeinsame Platine
Auswertungseinheit
Drucksensor
Rauchdetektor
Temperatursensor
Sende-Diode
Empfangsdiode 0 Labyrinth-Körper, Gas-offen und lichtabsorbierend 1 ausgesandter Strahl 2 Rauch / Staubpartikel 3 Streulicht
A Ausgang für Gas aus dem Labyrinth-Körper 11
E Gas-Eingang in den Labyrinth-Körper 11
L Leitungsstück zur Versorgung und Signalübertragung
Claims
1. Überwachungsverfahren für einen Batteriespeicher, bei dem unter Verarbeitung von Signalen mindestens eines Druck sensors (5), eines Rauchdetektors (6) und eines Tempera tursensors (7) in einer Auswertungseinheit (4) ein kriti scher Zustand des Batteriespeichers und/oder innerhalb von Batteriemodulen des Batteriespeichers erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Drucksensors (5) zum Einschalten aller üb rigen Sensoren (2) in einen aktiven Messmodus und nach folgend einer Auswertung von Signalen verschiedenartiger Sensoren (2) zur Plausibilitätsprüfung verwendet wird.
2. Überwachungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zu den jeweiligen Sensoren (2) Schwellwerte in der Auswertungseinheit (4) gespei chert werden, die entweder als Festwerte Versuchsreihen entstammen, oder im Rahmen eines fehlerlosen Dauerbe triebs für einen jeweils konkreten Einsatzfall erlernt werden.
3. Überwachungseinrichtung (1) für einen Batteriespeicher (1), die innerhalb des Batteriespeichers und/oder inner halb von Batteriemodulen des Batteriespeichers angeordnet ist, und einen Drucksensor (5), ein Rauchdetektor (6) und einen Temperatursensor (7) umfasst, die mit einer Auswer tungseinheit (4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (1) dazu ausgebildet ist, durch ein Signal eines Drucksensors (5) alle übrigen Sen soren (2) in eine aktiven Messmodus einzuschalten und in der Auswertungseinheit (4) eine Plausibilitätsprüfung durchzuführen.
4. Überwachungseinrichtung (1) nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsein richtung (1) als Einheit in, an und/oder auf einem Ge häuse des Rauchdetektors (6) angeordnet ist.
5. Überwachungseinrichtung (1) nach dem vorhergehenden An spruch, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensoren (2) und die Auswertungseinheit (4) der Überwachungseinrich tung (1) platzsparend in, an oder auf einem Gas-offenen und lichtabsorbierenden Labyrinth-Körper (10) des Rauch detektors (6) angeordnet sind.
6. Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Sensorfunktionen in der Überwachungs einrichtung (1) mehrfach oder redundant vorgesehen sind.
7. Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rauchdetektor (6) dadurch Redundanz geschaffen wird, dass jeweils zwei Sende-Dioden (8) und zwei Empfangsdioden (9) zur jeweils paarweisen Aktivierung in einer Anordnung ne ben- oder übereinander in einem gasoffenen und licht-ab- sorbierenden Labyrinth-Körper (10) vorgesehen sind.
8. Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hall- Sensor und/oder eine kapazitive Einrichtung zur Druckmes sung in einem Drucksensor (5) vorgesehen ist.
9. Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem der Sensoren (2) Schwellwerte in der Auswertungseinheit (4) gespeichert abgelegt sind.
10. Überwachungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Batteriemodul des Batteriespeichers eine Überwachungsein richtung (1) mit Anbindung an das BMS vorgesehen ist, die zur Versorgung an das BMS angeschlossen und insbesondere an eine Versorgungsspannung von 12V angeschlossen ist.
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