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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer
Energie mit wenigstens einer Batterie. Außerdem betrifft die Erfindung
die Verwendung einer solchen Vorrichtung.
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Derartige
Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie sind aus dem
allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Energiespeicher
mit einer Batterie werden auf vielfältige Art und Weise hergestellt.
Insbesondere für
den Einsatz mit hohen zu speichernden Leistungen haben sich Nickel-Metallhydrid-
bzw. Lithium-Ionen-Batterien mittlerweile durchgesetzt. Insbesondere
die Lithium-Ionen-Batterien weisen eine sehr hohe Energiedichte
auf. Diese hohe Energiedichte und die Möglichkeit, hohe Leistungen
in die Batterie einzuspeichern bzw. aus dieser zu entnehmen, haben
derartige Batterien auch die Bezeichnung Hochleistungsbatterie eingetragen. Derartige
Hochleistungsbatterien können
in Fahrzeugen besonders effektiv eingesetzt werden, in welchen die
hohe Energiedichte der Batterie einen entscheidenden Vorteil darstellt,
da mit vergleichsweise geringem Bauraum eine große Menge an elektrischer Energie
gespeichert werden kann. Damit kann eine hohe Reichweite bei rein
elektrischem Betrieb des Fahrzeugs erzielt werden kann. Derartige
Batterien werden deshalb insbesondere in Elektrofahrzeugen oder
Hybridfahrzeugen eingesetzt.
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Der
Nachteil dieser hohen Energiedichte liegt nun darin, dass die gespeicherte
Energie bei einem entsprechenden Missbrauch plötzlich frei werden kann. Dies
kann beispielsweise in Form von Feuer oder gar einer Explosion geschehen.
Ein solcher Missbrauch kann beispielsweise der Sturz einer Batterie
aus größerer Höhe sein.
Bei einer solchen Beschädigung
kann es zu einem internen oder externen Kurzschluss der Batterie
kommen, welcher schlagartig die große, in der Batterie gespeicherte
Energiemenge freisetzt.
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Besonders
problematisch ist es nun, wenn ein derartiger Missbrauch wie beispielsweise
ein Sturz aus größerer Höhe oder
ein Stoß der
Batterie aufgetreten ist, ohne dass es zu einem sofortigen Problem
mit der Batterie kommt. Stattdessen kann in der Batterie oder insbesondere
in einer der Zellen der Batterie jedoch eine Vorschädigung vorhanden
sein. Diese Vorschädigung
kann dazu führen,
dass im späteren
Betrieb oder beim Transport eine Freisetzung der großen Energiemenge
aufgrund der latent vorhandenen Vorschädigung auftritt. Dies ist besonders kritisch,
da eine derartige latente Vorschädigung,
wie beispielsweise ein latenter Kurzschluss, auch auftreten kann,
ohne dass die Batterie bzw. ein Batteriegehäuse entsprechend beschädigt ist.
Der latente Fehler ist somit praktisch nicht erkennbar. Er kann
im späteren
Betrieb jedoch dazu führen,
dass die Energie schlagartig freigesetzt wird und ein Feuer und/oder
eine Explosion auslösen
kann.
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Die
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung liegt nun darin, den Gebrauch
von derartigen Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie
dahingehend sicher zu machen, dass durch einen entsprechenden Missbrauch
latent vorhandene Fehler nicht zu einer Gefahr führen können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Speicherung elektrischer Energie sieht also im Bereich der Batterie
einen Sensor vor, welcher Beschleunigungen und/oder Stöße ab einer
vorgegebenen Größe erfasst.
Derartige Sensoren werden im allgemeinen Stand der Technik auch
als Schocksensoren oder Crashsensoren bezeichnet. Sobald Beschleunigungen
und/oder Stöße oberhalb
einer vorgegebenen Größe erfasst
werden, werden diese Werte oder auch lediglich das Auftreten derartiger
Werte in einer Datenspeichereinrichtung gespeichert. Aus der Datenspeichereinrichtung
lässt sich
dann auslesen, ob die erfindungsgemäße Vorrichtung einem entsprechenden
Stoß bzw.
Schock ausgesetzt war. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zu diesem Zeitpunkt
mechanisch unversehrt scheint, kann durch dieses in der Datenspeichereinrichtung
gespeicherte Wissen über
das Auftreten eines Stoßes
oder eines Schocks, beispielsweise ein Fallenlassen der Vorrichtung
beim Transport, auf eine gegebenenfalls vorliegende latente Schädigung der
Vorrichtung zurückgeschlossen
werden. Die Vorrichtung kann dann beispielsweise demontiert und
analysiert werden, um sicherzustellen, ob ein latenter Fehler vorhanden
ist oder nicht. Wenn ein latenter Fehler vorhanden ist, kann die
Vorrichtung entsprechend aus dem Verkehr gezogen oder repariert
werden, bevor eine Gefahr von der Vorrichtung ausgeht.
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Bei
den entsprechenden Sensoren bzw. Schocksensoren handelt es sich
um handelsübliche, vergleichsweise
einfache und kostengünstige
Bauteile, sodass das Plus an Sicherheit ohne größeren technischen und finanziellen
Aufwand zu realisieren ist.
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In
einer besonders günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie in einem Batteriegehäuse angeordnet,
wobei der Sensor im Bereich des Batteriegehäuses angeordnet ist. In einer
besonders günstigen
Weiterbildung hiervon ist der Sensor im Inneren des Batteriegehäuses angeordnet.
Dieser Aufbau erlaubt es, dass der Sensor im Inneren des Batteriegehäuses liegt
und kein zusätzliches über die Batterie
hinausstehendes Bauteil darstellt. Das Batteriegehäuse ist
zusammen mit dem Sensor eine in sich geschlossene Einheit, welche
die Batterie entsprechend einschließt. Damit kann verhindert werden,
dass der Sensor beispielsweise beim Transport beschädigt oder
abgerissen wird.
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Gemäß einer
besonders günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ist die Datenspeichereinrichtung dabei
als eigenständige
Speichereinrichtung im Bereich der Batterie oder des Batteriegehäuses ausgebildet.
Dieser Aufbau erlaubt es, den Sensor zusammen mit der Datenspeichereinrichtung
vollkommen autark vom restlichen Aufbau an der Batterie oder in
dem Batteriegehäuse
zu platzieren. Selbstverständlich
wäre es
auch denkbar, diesen auf dem Batteriegehäuse oder gegebenenfalls auch
auf einer Transportverpackung der Batterie anzuordnen. Dies hat
den Vorteil, dass bestehende Batterien bzw. Batteriegehäuse einfach
mit einem derartigen Aufbau nachgerüstet werden können, ohne
dass dieser bereits in den konstruktiven Aufbau der Batterie mit
eingeplant sein muss.
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Gemäß einer
besonders günstigen
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es ferner vorgesehen, dass im Bereich der Batterie oder des
Batteriegehäuses
eine Batterieelektronik angeordnet ist, wobei die Datenspeichereinrichtung
Teil dieser Batterieelektronik ist. Eine derartige Batterieelektronik
oder ein Batteriemanagementsystem sind häufig im Bereich der Batterie
vorhanden. Insbesondere kann die Batterieelektronik zusammen mit
der Batterie in dem Batteriegehäuse
angeordnet sein. Sie kann beispielsweise zur Überwachung von Ladezuständen, zur
Einzelzellenüberwachung
oder dergleichen genutzt werden. In dieser Elektronik sind entsprechende
Bauteile zur Speicherung von Daten typischerweise ohnehin vorhanden,
da ein Batteriemanagement auf entsprechenden Kennfeldern oder dergleichen
aufbaut. Ein Teil dieser Speichereinrichtung kann als Datenspeichereinrichtung
zur Speicherung der von dem Sensor gegebenenfalls generierten Daten
dienen. Damit wird auf eine zusätzliche Datenspeichereinrichtung
und gegebenenfalls eine hierfür
notwendige Energieversorgung verzichtet. Der Aufbau wird einfacher
und kompakter, da lediglich der Sensor zusätzlich vorhanden sein muss,
welcher über
entsprechende Leitungselemente mit der Batterieelektronik zu verbinden
ist. Gegenüber
dem oben dargelegten Aufbau ist diese Alternative besonders günstig, wenn
der Schocksensor von vornherein in den Aufbau der Batterie mit eingeplant
wird, wodurch in der Batterieelektronik entsprechende Maßnahmen
einfach und problemlos zu berücksichtigen sind.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es ferner vorgesehen, dass die Batterieelektronik einen Betrieb
der Batterie nur dann zulässt,
wenn die Datenspeichereinrichtung keinen erfassten Wert aufweist. Über diese
Sicherheitsabfrage kann erreicht werden, dass eine Batterie, deren
Schocksensor einen entsprechenden Wert erfasst und in der Datenspeichereinrichtung
gespeichert hat, nicht in Betrieb geht bzw. nicht weiter betrieben
wird. Damit kann sicher und zuverlässig verhindert werden, dass
ein Betrieb der Batterie mit latenten Fehlern vorkommt, welche zu
einer entsprechenden Fehlfunktion bis hin zu einem Feuer oder einem
Brand der Batterie führen könnten.
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In
einer weiteren besonders günstigen
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es vorgesehen, dass die Datenspeichereinrichtung über Diagnosemittel
auslesbar ist. Eine derartige Diagnose kann beispielsweise bei Wartungsarbeiten
oder dergleichen durchgeführt
werden, sodass erkannt werden kann, wenn die Batterie einen Schock
oder dergleichen erfahren hat und gegebenenfalls eine latente Schädigung vorliegt.
In besonders günstiger Weise
kann dabei die Datenspeichereinrichtung über ein Diagnosemittel drahtlos
ausgelesen werden, sodass ein einfaches „Scannen” der Datenspeichereinrichtung
ausreicht, um zu wissen, ob die Batterie einem entsprechenden Schock
ausgesetzt war. Insbesondere beim Einbau von derartigen Batterien
in Fahrzeugen oder anderen Produkten, beispielsweise in einer Fließfertigung,
kann dies ein entscheidender Vorteil sein. An den Batterien kann
unmittelbar vor dem Einbau beispielsweise mit einem Handscanner oder
in einer Fließfertigung,
indem die Batterien an einem Scanner vorbeifahren, eine entsprechende
Diagnose vorgenommen werden. Wird durch den Scanner erfasst, dass
die Batterie einem entsprechenden Stoß oder Schock ausgesetzt war,
so kann die Batterie aus dem Produktionsprozess herausgenommen werden.
Sie kann dann zu Diagnosezwecken zerlegt werden oder gegebenenfalls
auch ihrem Hersteller zurückgesendet
werden, welcher diese Diagnose vornimmt. Damit kann der Hersteller
des Produkts mit einer derartigen Batterie sicherstellen, dass in
das Produkt keine Batterien eingebaut werden, welche durch eventuelle
Transportschäden
latente Fehler aufweisen könnten.
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Eine
besonders günstige
und vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es vor,
dass diese zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie
in einem Transportmittel eingesetzt wird. Ein derartiges Transportmittel
kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise ein Personenkraftwagen
sein, welcher rein elektrisch oder mit einem entsprechenden Hybridantrieb
ausgestattet ist. Es ist auch denkbar, andere Transportmittel wie
Schiffe, Flurförderfahrzeuge,
Lastkraftwägen
oder dergleichen mit einer derartigen Batterie auszurüsten. Immer
dann, wenn eine entsprechende Leistung für den Antrieb benötigt wird,
sind sehr hohe Energiemengen in möglichst kleinem Bauraum zu
speichern, um eine entsprechende Reichweite zu garantieren. Insbesondere
bei dieser hohen Energiedichte, welche in einer Batterie mit derartiger
Verwendung vorliegt, spielt das plötzliche Freiwerden dieser Energie
eine ganz entscheidende Rolle. In diesem Fall kann es zu ausgesprochen
gefährlichen
Situationen kommen, welche sich in einem Feuer oder einer Explosion äußern. Insbesondere
bei Transportmitteln, welche üblicherweise so
im Verkehr eingesetzt werden, dass andere Verkehrsteilnehmer beteiligt
sind, stellt dies ein extremes Sicherheitsrisiko dar. Dem Sicherheitsrisiko kann
durch den erfindungsgemäßen Aufbau
weitgehend vorgebeugt werden. Dementsprechend ist der bevorzugte
Einsatzzweck für
derartige Batterien bei Transportmitteln zu sehen, da hier in den
sicherheitstechnischen Verbesserungen ein besonders großer Vorteil
liegt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
weiteren Unteransprüchen
und werden durch das Ausführungsbeispiel deutlich,
welches nachfolgend anhand der Figur erläutert wird.
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Die
einzige beigefügte
Figur zeigt einen Querschnitt durch eine stark schematisierte Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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In
der einzigen beigefügten
Figur ist eine Vorrichtung 1 zur Speicherung elektrischer
Energie zu erkennen. Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus
einer Batterie 2 sowie einem Batteriegehäuse 3.
Die Batterie 2 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
als Lithium-Ionen-Batterie 2 aufgebaut sein. Sie besteht
aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 4, welche hier
in einer Flachbauweise ausgeführt
und zu der Batterie 2 gestapelt sind. Beispielhaft sollen
die Batterieeinzelzellen 4 in bipolarer Bauweise ausgeführt sein,
sodass der Stapel an Batterieeinzelzellen 4 auf seiner
einen Seite mit einer positiven Polplatte 5 und auf seiner
anderen Seite mit einer negativen Polplatte 6 abschließt. Die
beiden Polplatten ragen dabei an einer Seite aus dem Gehäuse 3 heraus
und bilden die elektrischen Anschlüsse 7, 8 der
Vorrichtung 1. Außerdem
kann die Batterie 2 in an sich bekannter Weise mit einer
hier nur exemplarisch angedeuteten Kühleinrichtung 9 versehen
sein, welche hier auf einer Seite der Batterieeinzelzellen 4 beispielsweise
als sogenannte Bodenkühlung
bzw. Kopfkühlung
ausgebildet ist. Dieser Aufbau von Lithium-Ionen-Batterien ist dabei
aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und soll für die hier
dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung
nur beispielhaft gelten. Ebenso wären andersartige Aufbauten,
beispielsweise mit einer Vielzahl von runden Batterieeinzelzellen
oder dergleichen denkbar. Auch die Ausführung als Lithium-Ionen-Batterie ist
nicht zwingend, da diese zwar aufgrund ihrer hohen Energiedichte
besonders anfällig
für latente
Fehler und damit verbundenen Schäden
ist, andersartige Batterien mit entsprechend hohem Energieinhalt,
wie beispielsweise Nickel-Metallhydrid-Batterien, kommen jedoch
ebenso in Frage.
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Die
Batterie 2 der Vorrichtung 1 weist außerdem eine
exemplarisch angedeutete Batterieelektronik 10 auf, welche
hier auf einer Seite der Batterie angeordnet ist. Diese Batterieelektronik 10 kann
beispielsweise eine Überwachung
der Batterieeinzelzellen 4, ein Batteriemanagementsystem,
eine System zur Überwachung
des Ladezustandes oder dergleichen umfassen. Typisch für eine derartige
Batterieelektronik 10 ist es dabei, dass hierin entsprechende elektronische
Bauteile vorhanden sind. Üblicherweise
sind darunter auch Speicherbausteine ausgebildet. Diese Speicherbausteine
in der Batterieelektronik 10 können nun als Datenspeichereinrichtung 10a genutzt
werden, um Werte aus einem Schocksensor 11 entsprechend
zu speichern.
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Dieser
Schocksensor 11, welcher hier nur exemplarisch angedeutet
ist, stellt den Kern des erfindungsgemäßen Aufbaus 1 dar. Über ihn
können Beschleunigungen
und/oder Stöße erfasst
werden. Ab einem bestimmten Grenzwert, welcher eine latente Beschädigung der
Batterie 2 nach sich ziehen könnte, wird entweder der Wert
in der Datenspeichereinrichtung 10a gespeichert. Dieses
Speichern kann, wie bereits erwähnt,
den tatsächlich
aufgetretenen Wert, ggf. samt Datum und Uhrzeit, umfassen. Es ist
jedoch auch denkbar, lediglich einen „Flag” zu speichern, sobald ein
solcher Grenzwert der Beschleunigung oder des Stoßes überschritten
wurde. Dies reicht aus, um bei einem späteren Auslesen der Datenspeichereinrichtung 10a in
der Batterieelektronik 10 zu erkennen, dass die Batterie 2 einem
solchen Ereignis ausgesetzt war, und dass daher die Gefahr besteht,
dass eine latente Schädigung
in der Batterie 2 vorhanden ist, welche zu einem Sicherheitsproblem
werden könnte.
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Der
hier dargestellte Aufbau mit der Datenspeichereinrichtung 10a der
Batterieelektronik 10 hat dabei den Vorteil, dass eine
zusätzliche
Datenspeichereinrichtung nicht benötigt wird. Alternativ dazu wäre es auch
denkbar, eine Datenspeichereinrichtung 10b als eigenständiges Bauteil,
beispielsweise in Kombination mit dem Sensor 11, zu verbauen. Dies
ist in der Figur durch das gestrichelt dargestellte, optionale Bauteil 10b als
eigenständige
Datenspeichereinrichtung angedeutet.
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Die
hier dargestellte Vorrichtung 1 zur Speicherung von elektrischer
Energie kann also durch den Sensor 11, welcher als einfaches
und vergleichsweise kostengünstiges
Bauteil am Markt erhältlich ist,
in alle drei Raumrichtungen hinsichtlich entsprechender Beschleunigungen
und/oder Stößen überwacht
werden. Sobald ein Beschleunigungswert oder ein Stoß auftritt,
dessen Größe oberhalb
eines vorgegebenen Grenzwertes liegt, wird dieser Wert oder ein entsprechender
Flag in der Datenspeichereinrichtung gespeichert. Dieser Wert/dieses
Flag kann zu einem beliebigen späteren
Zeitpunkt aus der Datenspeichereinrichtung 10a, 10b ausgelesen
werden. Es kann also auch bei einer optisch und mechanisch unversehrten
Batterie 2 bzw. Vorrichtung 1 nachvollzogen werden,
ob diese eventuell einem schädigenden Ereignis
ausgesetzt war. Dementsprechend können die eingangs beschriebenen
Maßnahmen
ergriffen werden, welche der Sicherheit dienen.
