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Die Erfindung betrifft ein System zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems, insbesondere eines Batteriesystems eines Kraftfahrzeuges, das als Antriebsenergiespeicher dient. Es wird insoweit auch auf Kraftfahrzeuge mit solchen Batteriesystemen verwiesen.
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Unter Antriebsenergiespeichern werden insbesondere solche Energiespeicher verstanden, die Antriebsenergie für den unmittelbaren Antrieb eines Kraftfahrzeuges liefern. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf Batteriesysteme mit Lithium-lonen-Batteriezellen und/oder mit Batteriezellen verwiesen, die zu einer Gesamtspannung von mindestens 48 V zusammengeschaltet sind, bevorzugt mindestens 100 V oder weiter bevorzugt mindestens 200 V. Insbesondere betrifft die Erfindung Batteriesysteme mit Batteriezellen, die zu einer Gesamtspannung zwischen 48 V und 1.200 V verschaltet sind, insbesondere 100 V bis 800 V oder 200 V bis 800 V. Die Erfindung betrifft im Speziellen Batteriezellen mit einem prismatischen Gehäuse.
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Eine große Herausforderung in Verbindung mit derartigen Batteriezellen und solche Batteriezellen aufweisenden Batteriemodulen und Batteriesystemen ist es, eine hohe Funktionssicherheit zu gewährleisten. Zu vermeiden ist insbesondere die Überhitzung einzelner Batteriezellen, welche auch als „Thermal Runaway“ oder „Thermal Propagation“ bezeichnet wird. Um den Beginn einer solchen Überhitzung frühzeitig zu erkennen, gibt es bereits unterschiedliche Vorschläge, die insbesondere auf die Überwachung des Drucks und/oder der Temperatur einzelner Batteriezellen abzielen.
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Aus
DE 10 2010 038 860 A1 ist ein Warnsystem zur Überwachung von kritischen Zuständen in Batteriesystemen bekannt, insbesondere in Lithium-Ionen-Batteriesystemen. Gemäß diesem Warnsystem sollen ein oder mehrere Sensoren des gleichen Typs oder auch Sensoren unterschiedlichen Typs mit einer Regel- und Steuereinheit und mit Mitteln zur Ausgabe von Warnsignalen zusammenwirken. Ein konkreter Aufbau eines Batteriesystems mit einzelnen Batteriezellen und einer bestimmten Anordnung entsprechender Sensoren ist nicht offenbart. Es wird lediglich darauf verwiesen, dass Temperatursensoren, Drucksensoren, Gassensoren, Spannungssensoren und Bewegungssensoren geeignete Sensortypen sind.
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Aus
DE 10 2017 214 289 A1 ist ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug mit einem Batteriemodul bekannt, wobei das Batteriemodul zwei Batteriezellen mit jeweils einem Sicherheitsventil zur Entlüftung der Batteriezelle aufweist. Dabei ist das Sicherheitsventil der Batteriezelle jeweils an einer Seite der Batteriezelle zu einem Hohlraum hin gerichtet angeordnet, wobei jede Batteriezelle an dem Sicherheitsventil der Batteriezelle einen separaten Hohlraum aufweist, der Hohlraum durch die Batteriezelle, ein Dichtelement und eine Membran begrenzt ist, und ein Teil der Membran dazu eingerichtet ist, durch einen Überdruck im Hohlraum geöffnet zu werden. Mit diesem Batteriemodul können nur Probleme erkannt werden, die bereits zu einer Druckerhöhung in der Batteriezelle geführt haben.
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Unabhängig von dem vorstehend beschriebenen Überhitzungsproblem gibt es weitere Probleme, die mit den aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystemen nicht erkannt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems zur Verfügung zu stellen, mit welchem auch vom Druck der Batteriezelle unabhängige, potentielle Gefahrenzustände einer Batteriezelle detektierbar sind, insbesondere durch Austritt von Elektrolyt und/oder sonstigen Fluiden aus einer Batteriezelle verursachte Gefahrenzustände. Derartige Gefahrenzustände können beispielsweise durch eine Leckage auftreten, insbesondere wenn eine solche Leckage herstellungsbedingt (Material- und/oder Fertigungsfehler), verschleißbedingt (Alterung), belastungsbedingt (mechanische Beanspruchung des Zellgehäuses) oder alterungsbedingt (Materialermüdung) auftritt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruch 1. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes System zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems weist mehrere Batteriezellen auf, wobei für jede Batteriezelle ein Zellgehäuse vorgesehen ist, d.h. jede Batteriezelle ein separates Zellgehäuse aufweist. Dabei weist jedes Zellgehäuse mindestens eine polfreie Gehäuseseite auf, an welcher kein Zellpol angeordnet ist.
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An einer solchen polfreien Gehäuseseite ist bei dem erfindungsgemäßen System eine Entlüftungsvorrichtung vorgesehen, die sich zumindest über einen Teil der polfreien Gehäuseseite erstreckt, wobei mindestens einem Zellgehäuse ein Detektionselement zugeordnet ist, welches funktional mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung und/oder einem Batterie-Management-System verbunden ist. Dabei ist das Detektionselement außerhalb des Zellgehäuses in dessen örtlicher Nähe derart angeordnet, dass durch die Entlüftungsvorrichtung austretendes Fluid im Bereich des Austritts mit Hilfe des Detektionselements detektierbar ist. Die Kernidee der Erfindung ist es damit, durch das Vorsehen und die gewählte Anordnung von einem oder mehreren Detektionselementen auch vom Druck der jeweiligen Batteriezelle oder Batteriezellen unabhängige, potentielle Gefahrenzustände einer Batteriezelle erkennen zu können. So kann beispielsweise eine Undichtigkeit einer Batteriezelle erkannt werden, auch wenn diese zunächst nicht mit einer Druck- und/oder Temperaturerhöhung innerhalb der Batteriezelle verbunden ist.
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Bevorzugt ist es, wenn einer Vielzahl von Zellgehäusen ein Detektionselement zugeordnet ist, beispielsweise jedem vierten Zellgehäuse, jedem dritten Zellgehäuse, jedem zweiten Zellgehäuse oder sogar jedem Zellgehäuse. Insbesondere wenn jedem Zellgehäuse ein Detektionselement zugeordnet ist, kann im Falle einer Detektion mit Hilfe des Detektionselements bei einer entsprechend ausgelegten Auswertungsarchitektur, nämlich einer einzelnen Zuordnung jedes Detektionselements zu einer entsprechenden Signalverarbeitungsvorrichtung und/oder einer eines Batterie-Management-System, exakt bestimmt werden, an welcher Batteriezelle die jeweilige Detektion stattgefunden hat.
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Als einfaches Detektionselement kann ein elektrisch leitendes Elements vorgesehen sein, insbesondere in Form eines Drahts, z.B. Metalldraht, eines leitenden Bandes oder ein sonstiges elektrisch leitendes Gebilde, bei dem es sich auch um Kombinationen aus Draht und Band handeln kann. Während eines „Thermal Runaway“ treten heiße Gase durch die Entlüftungsvorrichtung nach außen, welche dann mit dem Detektionselement in Kontakt treten und dessen Temperatur erhöhen. Dies führt zunächst zu einer Widerstandsänderung und kann im weiteren Verlauf auch zu einem Durchschmelzen führen. Kommt es zum Durschmelzen, ist die elektrische Verbindung unterbrochen, und das Batterie-Management-System, die Signalverarbeitungsvorrichtung oder eine Auswerteeinheit kann den „Thermal Runaway“ erkennen. Wenn das Detektionselement und das Batterie-Management-System, die Signalverarbeitungsvorrichtung oder Auswerteeinheit geeignet ausgebildet sind, können auch bereits elektrische Widerstandsänderungen erfasst und ein sicher ankündigender „Thermal Runaway“ erkannt werden.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu kann ein Detektionselement auch ein separates Indikatorelement aufweisen, beispielsweise ein Indikatorelement, das unabhängig von der Temperatur auch auf Kontakt mit Flüssigkeit und/oder auf Kontakt mit einer Gasströmung und einer damit verbundenen Anströmkraft eines Gases mit einer Widerstandsänderung oder einer Unterbrechung der elektrischen Verbindung reagiert.
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Insbesondere, wenn eine Vielzahl von Detektionselementen in einem Batteriesystem mit einer Vielzahl von Zellgehäusen angeordnet sind, ist es herstellungs- und montagetechnisch bevorzugt, wenn das Detektionselement Teil einer flächigen Trägereinheit ist, welche außenseitig an das Zellgehäuse angrenzend angeordnet ist. Unter einer solchen Trägereinheit wird jedes Gebilde verstanden, das größer ist als das Detektionselement und dazu dient, ein oder mehrere Detektionselemente in einer bestimmten Relativlage zur Trägereinheit anzuordnen und darauf zu fixieren. Auf einer entsprechenden Trägereinheit können insbesondere mehrere Detektionselemente in einer gewünschten Relativanordnung zueinander und zu der Trägereinheit vormontiert werden. Für die Montage der Detektionselemente eines Batteriesystems ist es dann bei der Endmontage im Fertigungsprozess nur noch erforderlich, eine oder mehrere Trägereinheiten mit den darauf vormontierten Detektionselementen in eine gewünschte Relativposition außenseitig an das Zellgehäuse angrenzend zu bringen. Die Größe einer Trägereinheit ist vorzugsweise an die Größe eines Batteriemoduls angepasst, insbesondere indem es die gleiche Breite und/oder die gleiche Länge aufweist. Die Höhe einer Trägereinheit ist vorzugsweise deutlich geringer als die größere der beiden Dimensionen Länge und Breite, insbesondere maximal 10 Prozent, bevorzugt maximal 5 Prozent und weiter bevorzugt maximal 1 Prozent.
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Mit angrenzend angeordnet ist insbesondere gemeint, dass es einen möglichst direkten Weg von der Entlüftungsvorrichtung zu dem Detektionselement gibt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Trägereinheit unmittelbar außenseitig an das Zellgehäuse angrenzend angeordnet ist. Alternativ kann die Trägereinheit auch mittelbar angrenzend angeordnet sein, indem noch ein oder mehrere Zwischenelemente zwischen dem Zellgehäuse und der Trägereinheit angeordnet sind. In diesem Fall ist es jedoch bevorzugt, wenn das eine Zwischenelement oder die mehreren Zwischenelemente jeweils mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen, über welche ein direkter, d.h. widerstandfreier Weg von der Entlüftungsvorrichtung des Zellgehäuses zu dem Detektionselement führt. Unter einem solchen Weg ist insbesondere ein Fluidpfad zu verstehen, so dass aus der Entlüftungsvorrichtung einer Batteriezelle oder aus einem Bereich unmittelbar um die Entlüftungsvorrichtung herum austretendes Fluid, beispielsweise Elektrolyt, schwerkraftbedingt auf das Detektionselement tropft oder fließt, ohne dass es zuvor noch ein Zwischenelement durchdringen muss.
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Herstellungstechnisch und konstruktiv einfach gehalten ist ein erfindungsgemäßes System, wenn die Zellgehäuse zumindest teilweise auf einer Tragstruktur angeordnet sind und die Trägereinheit zwischen der Entlüftungsvorrichtung und der Tragstruktur angeordnet ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Trägereinheit und die Tragstruktur beide als flächige Gebilde gestaltet sind, so dass sich ein schichtweiser Aufbau ergibt. Dieser lässt sich besonders gut montieren, wenn zumindest eine Dimension, Länge oder Breite, von Trägereinheit und Tragstruktur das gleiche Maß aufweist. Insbesondere sind Länge und Breite von Trägereinheit und Tragstruktur gleich groß, so dass diese unmittelbar bündig übereinander angeordnet werden können, um die gewünschte Relativposition zwischen Trägereinheit und Tragstruktur zu erreichen. Aus dem gleichen Grund ist weiter bevorzugt auch zumindest ein Maß (Länge oder Breite) der Zellgehäuse oder einer Vielzahl von miteinander verbundenen Zellgehäusen, z.B. ein Modul aus einer Vielzahl von Zellgehäusen, gleich groß wie das entsprechende Maß der Trägereinheit und/oder der Tragstruktur.
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Ein nur sehr geringeres Bauteilgewicht und einen nur geringen Bauraumbedarf hat das erfindungsgemäße System, wenn die Trägereinheit als ein- oder mehrschichtige Matte ausgebildet ist. Wenn es sich bei der Matte um ein flexibles, elastisch biegefähiges und/oder in Dickenrichtung elastisch verformbares Element handelt, hat diese den weiteren Vorteil, dass damit Montage- und Fertigungstoleranzen zwischen der Tragstruktur und den jeweiligen Zellgehäusen ausgeglichen werden können.
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Materialtechnisch bevorzugt für ein erfindungsgemäßes System ist es, wenn die Matte aus einem compoundierten Material mit ein oder mehreren Polymer-Bestandteilen und ein oder mehreren Füllmaterialien hergestellt ist. Dabei werden insbesondere solche Werkstoffe bevorzugt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und elektrisch isolierend sind. In diesem Zusammenhang wird auf thermoplastische Werkstoffe, Elastomere und duroplastische Werkstoffe verwiesen. Als Beispiele für Füllmaterialen wird auf Aluminiumpulver, Al2O2-Pulver und Graphitpulver verwiesen, im Speziellen Nano-Graphitpulver.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems sind in die Trägereinheit ein oder mehrere Detektionsschaltungen mit ein oder mehreren Detektionselementen integriert. Auf diese Art und Weise können mehrere Detektionselemente funktional miteinander verbunden werden, beispielsweise um für den jeweiligen Anwendungsfall eine sinnvolle Auslegung hinsichtlich der Komplexität der Auflösung (soll jede Position eines Detektionselements einzeln detektierbar sein oder genügt es, wenn ein Problem in einer Batteriezelle einem bestimmten Batteriemodul zugeordnet werden kann), des Gewichts und der Kosten des Systems vorzunehmen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems weist die Tragstruktur mindestens einen Hohlraum zum Aufnehmen und/oder Abführen von aus den Batteriezellen ausgetretenen Fluiden auf. Bei den Fluiden kann es sich dabei sowohl um gasförmige als auch um flüssige Fluide handeln. Beispielsweise kann ein Kanal vorgesehen sein, durch welchen sich Gase ungehindert bis zu einem Gassensor ausbreiten können. So kann ein auf eine Fehlfunktion oder Leckage zurückgehender Gasaustritt unabhängig von dem jeweiligen Ort des Austritts und unabhängig von dem Detektionselement im Bereich der Entlüftungsvorrichtung detektiert werden.
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Wenn bei einem erfindungsgemäßen System, das eine Tragstruktur aufweist, an der Tragstruktur im Bereich mindestens eines Detektionselements ein Berstabschnitt ausgebildet ist, kann die Sicherheit durch den Berstabschnitt noch zusätzlich erhöht werden. Als Berstabschnitt kann insbesondere ein Berstelement an der Tragstruktur ausgebildet sein, indem an einem diskreten Bereich der Tragstruktur eine verringerte Materialstärke vorgesehen ist. In diesem Fall kann ein Problem, das mittels des Detektionselements erkennbar ist (beispielsweise eine Elektrolyt-Leckage, die nicht aufgrund eines erhöhten Innendrucks in einer Batteriezelle entstanden ist), jedoch nicht unmittelbar zur Zerstörung des Berstabschnitts führt, erkannt und behoben werden, bevor Folgeschäden auftreten, beispielsweise aufgrund von sich in einem Batteriesystem verteilenden Elektrolyts. Es besteht dann die Möglichkeit, den mit dem Detektionselement detektierten Schaden zu beheben, insbesondere bevor der Berstabschnitt versagt.
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Ein weiterer herstellungstechnischer Vorteil eines erfindungsgemäßen Systems kann sich ergeben, wenn das mindestens eine Detektionselement von mindestens zwei Lagen der Trägereinheit umschlossen ist und/oder in der Trägereinheit im Bereich des mindestens einen Detektionselements eine Ausnehmung ausgebildet ist. In diesem Fall können die zwei oder mehr Lagen miteinander verpresst oder anderweitig miteinander verbunden werden, wobei Detektionselemente als frei zugängliche Elemente in der jeweiligen Ausnehmung angeordnet sind. In diesem Zusammenhang wird insbesondere auf Detektionselemente verwiesen, die an einem Draht, einer Leitung oder einem sonstigen Verbindungselement hängend in entsprechenden Ausnehmungen angeordnet sind, indem der Draht, die Leitung oder das sonstige Verbindungselement durch die Ausnehmung gespannt ist. Der Draht, die Leitung oder das sonstige Verbindungselement ist dabei vorzugsweise durch die miteinander verbundenen Lagen der Trägereinheit fixiert.
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Eine als Trägereinheit ausgebildete Matte eines erfindungsgemäßen Systems ist vorzugsweise durch Gießen, Extrudieren oder Laminieren hergestellt. Die Herstellung ist nicht nur einfach und kostengünstig möglich, sondern es können auch Trägereinheiten mit besonders geringer Dicke und dementsprechend geringem Bauteilgewicht erzeugt werden.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems in einer schematischen Seitenansicht,
- 2a eine weitere Ausführungsform mit einem an der Tragstruktur im Bereich des mindestens einen Detektionselements ausgebildeten Berstabschnitt,
- 2b eine weitere Ausführungsform mit einem Hohlraum zum Aufnehmen und Abführen von aus den Batteriezellen ausgetretenen Fluiden,
- 2c eine Darstellung einer Ausführungsform mit zwei Batteriezellen mit schematischer Darstellung einer elektrischen Detektionsschaltung,
- 3 eine erste Möglichkeit einer elektrischen Detektionsschaltung mit den Detektionselementen eines erfindungsgemäßen Systems
- 4 eine weitere Möglichkeit einer elektrischen Detektionsschaltung mit den Detektionselementen eines erfindungsgemäßen Systems,
- 5 eine weitere Möglichkeit einer elektrischen Detektionsschaltung mit den Detektionselementen eines erfindungsgemäßen Systems,
- 6a eine Schnittdarstellung gemäß der Linie A-A in 5 durch eine erste Variante einer als Matte ausgebildeten Trägereinheit,
- 6b eine Schnittdarstellung gemäß der Linie A-A in 5 durch eine zweite Variante einer als Matte ausgebildeten Trägereinheit und
- 7 eine weitere Möglichkeit einer Anordnung der Detektionselemente eines erfindungsgemäßen Systems, die elektrisch so verschaltet sind wie in der Ausführungsform gemäß 5.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung und Sicherheitserhöhung eines Batteriesystems. Von diesem System ist exemplarisch nur eine Batteriezelle 10 in einer Seitenansicht dargestellt, obwohl das gesamte System aus mehreren solchen Batteriezellen 10 und einer entsprechenden Anordnung der weiteren, im Folgenden beschriebenen Elemente gebildet ist. Die Richtung der Gravitation (Schwerkraft) ist mit dem nach unten gerichteten Pfeil g gekennzeichnet. Die Batteriezelle 10 weist ein Zellgehäuse 26 auf, das hier prismatisch ausgebildet ist. Zwei Pole 25 sind außenseitig an der rechten und linken Außenseite des Zellgehäuses 26 angeordnet.
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Die Unterseite und die Oberseite des Zellgehäuses 26 sind polfreie Gehäuseseiten. An der polfreien unteren Gehäuseseite ist eine Entlüftungsvorrichtung 11 vorgesehen, die sich über einen Teil der unteren Gehäuseseite erstreckt. Die Entlüftungsvorrichtung 11 ermöglicht es, dass im Falle eines Druckanstiegs innerhalb des Zellgehäuses 26 Gase aus dem Inneren des Zellgehäuses 26 herausströmen können. Flüssigkeiten sollen die Entlüftungsvorrichtung 11 beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezelle 10 nicht passieren und innerhalb des Zellgehäuses 26 verbleiben. Bei Materialermüdung, Fertigungsfehlern, defekter Entlüftungsvorrichtung 11 oder einer sonstigen Undichtigkeit in dem Bereich um die Entlüftungsvorrichtung 11 kann es dennoch zu einem unerwünschten Austreten von Flüssigkeit kommen, insbesondere von Elektrolyt.
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Das Zellgehäuse 26 ist in der gezeigten Ausführungsform auf einer Tragstruktur 12 angeordnet. Zwischen der Tragstruktur 12 und der unteren Gehäuseseite des Zellgehäuses 26 ist eine Trägereinheit 13 angeordnet. Teil der Trägereinheit 13 ist ein Detektionselement 14, das in diesem Ausführungsbeispiel ein separates Indikatorelement 14a aufweist. Das Detektionselement 14 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine elektrische Leitung 27 mit einer Signalvorrichtung 22 und über die Signalvorrichtung 22 mit einem Batterie-Management-System 23 verbunden. Die Signalvorrichtung 22 und das Batterie-Management-System 23 bilden gemeinsam eine Auswerteeinheit 24, mittels welcher Veränderungen an dem Detektionselement 14 feststellbar sind.
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Wie in 1 erkennbar ist, weist die Tragstruktur 12 unmittelbar unterhalb des Detektionselements 14 eine Öffnung auf, die zu einem Unterfahrschutzraum 16 führt. Unterseitig ist der Unterfahrschutzraum 16 durch eine Bodenplatte 18 (des Unterfahrschutzes) begrenzt. Gase oder sonstige gasförmige Fluide, die in den Unterfahrschutzraum 16 gelangen, sind mittels eines Gassensors 17 kurzfristig detektierbar. Der Gassensor 17 ist ebenfalls an die Signalvorrichtung 22 und über die Signalvorrichtung 22 mit dem Batterie-Management-System 23 verbunden. Gas und sonstige gasförmige Fluide können insbesondere auch durch die Trägereinheit 13 hindurch in den Unterfahrschutzraum gelangen. Dazu ist die Träger zumindest teilweise gasdurchlässig ausgebildet.
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Das Detektionselement 14 ist in der gezeigten Ausführungsform unmittelbar unterhalb der Entlüftungsvorrichtung 11 derart angeordnet, dass Flüssigkeiten, die aufgrund einer undichten Entlüftungsvorrichtung 11 oder aufgrund sonstiger technischer Probleme, durch die Entlüftungsvorrichtung 11 oder unmittelbar neben der Entlüftungsvorrichtung 11 aus dem Zellgehäuse 26 austritt, zwangsläufig mit dem Detektionselement 14 in Kontakt tritt. Dabei ist das Detektionselement 14 so ausgebildet, dass mit Hilfe der Auswerteeinheit 24 der Austritt von Flüssigkeiten mit dem Detektionselement 14 detektierbar ist. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass sich der elektrische Widerstand des Detektionselements 14 bei Kontakt mit einer Flüssigkeit ändert und eine solche Änderung in einer entsprechenden Detektionsschaltung detektierbar ist.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Detektionselement 14 Teil einer Matte 28 und in diese Matte 28 eingebettet. Die Matte 28 ist bevorzugt so gestaltet, dass mit der Matte 28 eine sichere Verbindung zwischen dem Zellgehäuse 26 der Batteriezelle 10 und der Tragstruktur 12 hergestellt wird, insbesondere durch eine klebende Wirkung und/oder durch eine Oberflächenstruktur mit Lotus-Effekt. Die Matte 28 ist weiter bevorzugt aus einem Material hergestellt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, um Wärme von der Batteriezelle 10 gut abführen zu können. Ferner sind in der Matte 28 vorzugsweise elektrisch leitende Elemente eingebettet, um das mindestens eine Detektionselement 14 mit der Auswerteeinheit 24 und optional mit weiteren Detektionselementen 14 zu verbinden.
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Die 2a, 2b und 2c sowie die 3 bis 7 zeigen weiteren Ausführungsformen und Ansichten erfindungsgemäßer Systeme in verschiedenen Ansichten, wobei für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente im Folgenden stets die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Soweit nicht abweichend beschrieben, sind diese Ausführungsformen so ausgebildet wie die in 1 beschriebene Ausführungsform. Dies gilt auch für Elemente, die zur Vereinfachung der Darstellungen teilweise weggelassen wurden, wie beispielsweise die sich an die Trägereinheit 13 anschließende, zu einer Auswerteeinheit 24 führende elektrische Leitung 27 in den 2a und 2b.
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Die Ausführungsformen gemäß 2a und 2b unterscheiden sich im Wesentlichen durch den jeweils mit dem gestrichelten Kreis gekennzeichneten Bereich um die Entlüftungsvorrichtung 11 herum.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2a ist an der Tragstruktur 12 unmittelbar unterhalb des Detektionselements 14 ein Berstabschnitt 19 vorgesehen. Dieser ist in der gezeigten Ausführungsform als ein Abschnitt mit verringerter Materialstärke ausgebildet. Dadurch gelangten Fluide, welche die Entlüftungsvorrichtung 11 passieren, zunächst nur bis zum Detektionselement 14. Erst wenn der Druck und/oder die Temperatur eine Zerstörung des Berstabschnitts 19 bewirkt, beispielsweise aufgrund eines „Thermal Runaways“, kann Fluid, wie oben in Verbindung mit 1 beschrieben, weiter in Richtung Unterfahrschutzraum 16 gelangen. Dadurch ist ergibt sich ein zweistufiges Warnsystem, bei welchem abhängig von der Auslegung des Systems und von den Parametern einer bestimmten Gefahrensituation Rückschlüsse auf die Art des Ereignisses möglich sind.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2b ist an der Tragstruktur nicht nur ein Berstabschnitt 19 vorgesehen, sondern auch ein Kanal 29 gebildet. Über den Kanal 29 können Fluide, insbesondere aus der Entlüftungsvorrichtung 11 austretende Gase oder Flüssigkeiten, beispielsweise Elektrolyt, aufgenommen und gezielt aus dem Batteriesystem heraus oder an eine andere geeignete Stelle gefördert werden. Im Falle eines „Thermal Runaways“ öffnet sich der Berstabschnitt 19, insbesondere durch Aufschmelzen oder Aufplatzen.
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2c dient der Veranschaulichung eines Batteriesystems 20 mit zwei Batteriezellen 10, die unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, wobei der Blick jeweils auf eine Polseite des Zellgehäuses 26 gerichtet ist. Die Gestaltung der Zellgehäuses 26 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform aus 1. In der Darstellung von 2c lässt sich erkennen, dass jeder Entlüftungsöffnung 11 ein Detektionselement 14 mit separatem Indikatorelement 14a zugeordnet ist. Als Detektionselement 14 dient ein elektrisch leitfähiger Abschnitt der Trägereinheit 13, die wiederum als Matte 28 ausgebildet ist. Außenseitig der Matte 28 ist an das Detektionselement 14 eine elektrische Leitung 27 angebunden, die über eine Auswerteeinheit 24 eine Detektionsschaltung bildet.
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In den 3 und 4 sind zwei verschiedene Möglichkeiten von Detektionsschaltungen für das jeweils gleiche Batteriesystem 20 gezeigt, welches aus vier Batteriemodulen 21 gebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform weist jedes Batteriemodul 21 exemplarisch fünf Batteriezellen 10 auf, wobei an jeder Batteriezelle 10 jeweils ein Detektionselement 14 und ein separates Indikatorelement vorgesehen ist.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die Detektionselemente 14 und die separaten Indikatorelemente 14a aller Batteriezellen 10 über eine einzige elektrische Leitung 27 miteinander verbunden. Diese bilden damit eine Detektionsschaltung mit einer Auswerteeinheit 24.
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Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist für jedes Batteriemodul 21 eine separate Detektionsschaltung vorgesehen, wobei alle Detektionsschaltungen von der gleichen Auswerteeinheit 24 überwacht werden.
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Die Ausführungsform aus 3 ist besonders einfach realisierbar, während es die Ausführungsform aus 4 ermöglicht, festzustellen, in welchem Batteriemodul 21 eine Funktionsstörung oder ein außergewöhnliches Ereignis vorliegt. Die Ausführungsform aus 4 liefert insoweit präzisere Ergebnisse, ermöglicht die Teilabschaltung eines nicht ordnungsgemäß funktionierenden Batteriemoduls 21 und erleichtert die Lokalisierung und das Beheben eines Fehlers. Die Teilabschaltung kann insbesondere mittels eines Schutzschalters, einer Pyrosicherung oder mittels eines anderen geeigneten Schaltmechanismus erfolgen, sobald ein kritischer Zustand in einem Batteriemodul 21 festgestellt wurde.
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Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Komplexität der Detektionsschaltungen noch weiter erhöht werden kann, insbesondere indem für jede Batteriezelle 10 oder für je zwei Batteriezellen 10 oder je drei Batteriezellen 10 eine Detektionsschaltung vorgesehen ist, ggf. jeweils mit der Möglichkeit, nur die gemeinsam mittels Detektionsschaltung verbundenen Batteriezellen 10 teilabzuschalten, wenn eine Störung oder eine Gefahr detektiert worden ist oder droht.
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5 zeigt eine Trägereinheit 13 in Form einer Matte 28, die für ein Batteriesystem 20 mit vier Batteriemodulen 21 vorgesehen ist, insbesondere für ein wie in 3 dargestelltes Batteriesystem 20. In die Matte 28 eingebettet sind die Detektionselemente 14 sowie die separaten Indikatorelemente 14a. Die Detektionselemente 14 werden außenseitig der Matte 28 als elektrische Leitungen 27 weitergeführt.
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In den 6a und 6b sind zwei verschiedene Ausführungsformen der in 5 gezeigten Matte 28 gezeigt.
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Die Ausführungsform gemäß 6a zeigt als Detektionselemente 14 Drähte oder sonstige Leitungen, die hier einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und - in Dickenrichtung x - betrachtet - etwa mittig in der Matte 28 angeordnet sind. Die Dicke x der Matte 28 kann bedarfsweise festgelegt werden und ist vorzugsweise stets größer als der Durchmesser des Detektionselements 14, damit dieses geschützt innerhalb der Matte 28 angeordnet sein kann. Die Matte 28 ist in dieser Ausführungsform aus einer einzigen Lage gebildet.
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Bei der in 6b gezeigten Ausführungsform ist die Matte 28 aus drei Teilschichten 13a, 13b, 13c gebildet. Diese sind vorzugsweise fest miteinander verbunden, insbesondere durch Laminieren. Die Detektionselemente 14 sowie in 6b nicht dargestellte separate Indikatorelemente sind vorzugsweise fest mit einer der Teilschichten 13a, 13b, 13c verbunden. Besonders bevorzugt ist es, die Detektionselemente 14 und etwaige Indikatorelemente zunächst mit der mittleren Teilschicht 13b zu verkleben oder verweben oder verwirken, und anschließend die beiden anderen Teilschichten 13a, 13c jeweils außenseitig aufzubringen, um die Detektionselemente 14 schützend in der Matte 28 anzuordnen.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine als Trägereinheit 13 dienende Matte 28, bei welcher die Detektionselemente 14 und separate Indikatorelemente 14a von zwei Batteriemodulen 21 über eine elektrische Leitung 27 Teil einer Detektionsschaltung sind. Bei dieser Ausführungsform, die ebenso mit anderen Detektionsschaltungen kombinierbar ist, ist jeweils um die separaten Indikatorelemente 14a herum eine Freimachung 30 im Sinne einer Durchgangsöffnung in der Matte 28 vorgesehen. Dadurch sind die Indikatorelemente 14a und in der Darstellung auch ein Teil der sich unmittelbar anschließenden Detektionselemente 14 frei schwebend innerhalb der Freimachung 30 angeordnet. Die Freimachung 30 ist in der gezeigten Ausführungsform mit einer rechteckigen Grundform dargestellt. Sie kann jedoch alternativ auch eine beliebige andere Form aufweisen, insbesondere eine kreisrunde, ovale, quadratische, trapezförmige, polygonförmige oder sonstige Grundform.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezelle
- 11
- Entlüftungsvorrichtung
- 12
- Tragstruktur
- 13
- Trägereinheit
- 13a
- Teilschicht
- 13b
- Teilschicht
- 13c
- Teilschicht
- 14
- Detektionselement
- 14a
- separates Indikatorelement
- 15
- Batterie-Management-System
- 16
- Unterfahrschutzraum
- 17
- Gassensor
- 18
- Bodenplatte des Unterfahrschutzes
- 19
- Berstabschnitt
- 20
- Batteriesystem
- 21
- Batteriemodul
- 22
- Signalverarbeitungsvorrichtung
- 23
- Batterie-Management-System
- 24
- Auswerteeinheit
- 25
- Pol
- 26
- Zellgehäuse
- 27
- elektrische Leitung
- 28
- Matte
- 29
- Kanal
- 30
- Freimachung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010038860 A1 [0004]
- DE 102017214289 A1 [0005]