DE102013212593A1 - Apparatus and method for monitoring humidity in an electrical system, battery case and battery system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung (200) zur Überwachung der Feuchte in einem Gehäuse oder Batteriegehäuse (105), umfassend: eine Erfassungseinrichtung umfassend eine erste Sensoreinrichtung (220) zum Erfassen von Messwerten in einem Innenraum des Gehäuses (105), und eine Verarbeitungseinrichtung (210), die ausgebildet ist zum Auswerten der erfassten Messwerte, zum Bestimmen der relativen Feuchte in dem Innenraum des Gehäuses (105) aus den ausgewerteten Messwerten und zum Einleiten einer Maßnahme, wenn die bestimmte relative Feuchte einen vorbestimmten kritischen oder unzulässigen Wert oder Wertebereiche erreicht oder einen vorbestimmten sicheren oder zulässigen Wert oder Wertebereich verlässt, sowie eine Batterie, ein Batteriesystem, ein Fahrzeug, ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.The invention relates to a device (200) for monitoring the moisture in a housing or battery housing (105), comprising: a detection device comprising a first sensor device (220) for detecting measured values in an interior of the housing (105), and a processing device (210 ), which is designed for evaluating the recorded measured values, for determining the relative humidity in the interior of the housing (105) from the evaluated measured values and for initiating a measure if the determined relative humidity reaches a predetermined critical or impermissible value or value ranges or one predetermined predetermined or permissible value or range of values, as well as a battery, a battery system, a vehicle, a method, a computer program and a computer program product.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung von Feuchte in einem elektrischen System, ein Batteriegehäuse und Batteriesystem mit einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug oder Hybridfahrzeug, mit dem Batteriesystem.The invention relates to a device and a method for monitoring moisture in an electrical system, a battery housing and battery system with a battery cell, in particular a lithium-ion cell, and a computer program and a computer program product. The invention further relates to a vehicle, in particular a motor vehicle such as electric motor vehicle or hybrid vehicle, with the battery system.
Stand der TechnikState of the art
Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, als wiederaufladbare Energiespeicher vermehrt neue Batteriesysteme, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhybrid-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.It is foreseeable that both in stationary applications, for example in wind turbines, as well as in mobile applications, for example in electric vehicles or hybrid vehicles, rechargeable energy storage increasingly new battery systems, for example with lithium-ion batteries or nickel-metal hybrid batteries, will be used.
Um die Sicherheit und Funktion von Batteriesystemen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Batteriesystemen, zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Batteriezellen innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs zu betreiben. Einerseits entsteht während des Betriebs der Batteriezellen Wärme, die abgeführt werden muss, um ein Aufheizen der Batteriezellen über eine kritische Maximaltemperatur zu vermeiden. Anderseits kann es erforderlich sein, die Batteriezellen bei tiefen Temperaturen auf eine Mindesttemperatur aufzuheizen. Zur Einhaltung des vorgegebenen Temperaturbereichs wird das Batteriesystem temperiert, d. h. bedarfsgerecht gekühlt bzw. geheizt.In order to ensure the safety and function of battery systems, for example lithium-ion battery systems, it is necessary to operate the battery cells within a predetermined temperature range. On the one hand, heat is generated during operation of the battery cells, which must be dissipated in order to avoid heating the battery cells above a critical maximum temperature. On the other hand, it may be necessary to heat the battery cells at low temperatures to a minimum temperature. To maintain the predetermined temperature range, the battery system is heated, d. H. cooled or heated as needed.
Dazu kann das Batteriesystem ein Fluid, zum Beispiel eine Flüssigkeit wie Alkohol beispielsweise Propan-1,2,3-triol (Glycerol, Glycerin), Öl oder Wasser oder ein Flüssigkeitsgemisch, als Temperiermittel in einem Temperiermittelkreislauf umfassen.For this purpose, the battery system may comprise a fluid, for example a liquid such as alcohol, for example propane-1,2,3-triol (glycerol, glycerol), oil or water or a liquid mixture, as a temperature control agent in a temperature control medium circuit.
Somit kann bei einer Beschädigung (Leckage) des Temperiermittelkreislaufs in dem Batteriesystem Temperiermittel, zum Beispiel Wasser, freigesetzt werden. Wenn ein Gehäuse des Batteriesystems nicht hermetisch verschlossen (gasdicht) ist, kann, zum Beispiel durch Dichtungen, ständig Feuchtigkeit, zum Beispiel in Form von Wasserdampf, in das Batteriesystem eindringen. Da beim Kühlen des Batteriesystems die Temperiermitteltemperatur deutlich unter der Temperatur in dem Gehäuse liegt, kann sich Tauwasser (Kondenswasser, Schwitzwasser) bilden. Somit kann sich in dem Batteriesystem Wasser in flüssiger Form, entweder rein oder als Flüssigkeitsgemisch, bilden und / oder ansammeln. Flüssiges Wasser, zum Beispiel Regentropfen, Nebeltröpfchen und festes Wasser, zum Beispiel Eis und Schneekristalle werden der Luftfeuchtigkeit nicht zugerechnet.Thus, in case of damage (leakage) of the temperature control medium circuit in the battery system tempering, for example water, are released. If a housing of the battery system is not hermetically sealed (gas-tight), moisture, for example in the form of water vapor, can constantly penetrate into the battery system, for example through seals. Since the tempering agent temperature is significantly lower than the temperature in the housing during cooling of the battery system, condensate (condensed water, condensation water) may form. Thus, in the battery system, water can form and / or accumulate in liquid form, either pure or as a liquid mixture. Liquid water, for example raindrops, mist droplets and solid water, for example ice and snow crystals, are not included in the humidity.
Die Batteriesysteme sind jedoch, wie alle elektrischen, elektronischen oder informationstechnischen Vorrichtungen im Allgemeinen, in Bezug auf das Vorhandensein von Fluiden in flüssiger Form, zum Beispiel Flüssigkeiten wie Wasser, sehr empfindlich, da diese, zum Beispiel, Kurzschlüsse, Korrosion, elektrochemische Migration, Beschädigungen von Isolierungen wie elektrischen Isolierungen verursachen, oder zumindest begünstigen, können.The battery systems, however, like all electrical, electronic or information technology devices in general, are very sensitive to the presence of fluids in liquid form, for example liquids such as water, as these, for example, short circuits, corrosion, electrochemical migration, damage can cause, or at least favor, insulation such as electrical insulation.
Wenn die relative Luftfeuchte (relative Luftfeuchtigkeit, relative air moisture, relative humidity, rH) in dem Gehäuse niedrig ist, kann die Bildung von Tauwasser in dem Gehäuse verhindert werden. Durch die Anordnung eines Trockenmittels in dem Batteriesystem kann die Flüssigkeit gebunden werden, so dass die relative Luftfeuchte in dem Gehäuse niedrig ist. Der Absorptionsgrad des Trockenmittels, der mittels einer Gewichtsbestimmung grundsätzlich bestimmbar ist, die jedoch in dem Batteriesystem nur äußerst schwer durchführbar ist, kann über die Zeit steigen. Allerdings ist die Aufnahmekapazität des Trockenmittels begrenzt. Wenn sie erreicht ist, d. h. das Trockenmittel gesättigt ist, lässt zusätzliche Flüssigkeit die relative Luftfeuchte in dem Gehäuse wieder steigen, und die Feuchte in dem Gehäuse kann einen kritischen Wert erreichen. Somit wird es erforderlich, das vorhandene Trockenmittel zu trocknen, d. h. die absorbierte Flüssigkeit zu entfernen, oder gegen ein frisches Trockenmittel auszutauschen.When the relative humidity (relative humidity, RH) in the housing is low, the formation of condensation in the housing can be prevented. By disposing a desiccant in the battery system, the liquid can be bound so that the relative humidity in the housing is low. The degree of absorption of the desiccant, which is basically determinable by means of a weight determination, but which is extremely difficult to carry out in the battery system, can increase over time. However, the absorption capacity of the desiccant is limited. When it is reached, d. H. the desiccant is saturated, additional liquid causes the relative humidity in the housing to rise again, and the humidity in the housing can reach a critical level. Thus, it becomes necessary to dry the existing desiccant, i. H. remove the absorbed liquid or replace it with a fresh desiccant.
Aus
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass in dem elektrischen System kleinste Mengen an Wasser in flüssiger Form detektiert werden können. Dadurch kann die Bildung von Tauwasser verhindert werden. Weiterhin kann ein Eindringen von Wasser, zum Beispiel aufgrund einer Beschädigung eines Temperiermittelkreislaufs oder eines Gehäusebruchs, in das elektrische System erkannt werden. Somit können Störungen schnell erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dadurch können die Zuverlässigkeit und die Sicherheit des elektrischen Systems erhöht werden. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen können der Absorptionsgrad eines Trockenmittels und eine Regenerierung des Trockenmittels, zum Beispiel ein Trocknen des vorhandenen Trockenmittels, das, zum Beispiel, die Batteriezellen eines Batteriesystems belasten kann, oder ein Austauschen gegen ein frisches Trockenmittel, bedarfsgerecht erfolgen. Somit kann, zum Beispiel, auf ein vorzeitiges (vorsorgliches) Austauschen, im Rahmen einer (regelmäßigen) Inspektion verzichtet werden. Weiterhin kann eine (ungewöhnlich) frühzeitige Sättigung des Trockenmittels, zum Beispiel aufgrund eines Einsatzes eines Fahrzeugs unter Extrembedingungen, wirkungsvoll (rechtzeitig) erkannt werden. Somit können die Kosten reduziert und Ressourcen geschont werden.The devices and methods according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that in the electrical system smallest amounts of water in liquid form can be detected. This can prevent the formation of condensation. Furthermore, penetration of water, for example due to damage a Temperiermittelkreislaufs or a housing break, are detected in the electrical system. Thus, faults can be detected quickly and countermeasures initiated. This can increase the reliability and safety of the electrical system. By using the devices according to the invention, the degree of absorption of a desiccant and a regeneration of the desiccant, for example a drying of the existing desiccant, which, for example, can load the battery cells of a battery system, or replacement for a fresh desiccant, can be done as needed. Thus, for example, a premature (precautionary) exchange, in the context of a (regular) inspection can be dispensed with. Furthermore, an (unusually) early saturation of the desiccant, for example due to the use of a vehicle under extreme conditions, can be detected effectively (in good time). Thus, the costs can be reduced and resources can be spared.
Durch die in den rückbezogenen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Vorrichtungen und Verfahren möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous developments and improvements of the independent claims specified devices and methods are possible.
Zweckmäßiger Weise können Messwerte einer relativen Feuchte Messwerte einer Temperatur erfasst werden, sodass die Bestimmung der relativen Feuchte und die Überwachung verbessert werden können.It is expedient to be able to record measured values of a relative humidity measured values of a temperature, so that the determination of the relative humidity and the monitoring can be improved.
Zweckmäßiger Weise können zeitlich abgeleiteten Messwerte der relativen Feuchte und zeitlich abgeleiteten Messwerte der Temperatur bestimmt und / oder ausgewertet, werden, oder zeitlich abgeleiteten Messwerte der relativen Feuchte und zeitlich abgeleiteten Messwerte der Temperatur als zeitlich abgeleitete Messwerttupel bestimmt und / oder ausgewertet und die zeitlich abgeleiteten Messwertetupel multipliziert werden, sodass die Bestimmung der relativen Feuchte und die Überwachung weiter verbessert werden können.Expediently, time-derived measured values of the relative humidity and time-derived measured values of the temperature can be determined and / or evaluated, or time-derived measured values of the relative humidity and time-derived measured values of the temperature can be determined and / or evaluated as temporally derived measured value tuples and the temporally derived measured value tuples multiplied so that the determination of relative humidity and monitoring can be further improved.
Die Erfindung stellt eine Batterie bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst. weiterhin stellt die Erfindung ein Batteriesystem bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung oder Batterie umfasst.The invention provides a battery comprising the device described above. Furthermore, the invention provides a battery system comprising the device or battery previously described.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro-Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot, ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug, bereit, das die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Vorrichtung oder Batterie oder das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriesystem umfasst.The invention further provides a vehicle, in particular motor vehicle such as electric motor vehicle, hybrid vehicle or electric motorcycle (electric bike, e-bike), electric bicycle (pedelec), a maritime vehicle such as electric boat, an aircraft or a spacecraft, ready, the previously described and with the Vehicle connected device or battery or the previously described and connected to the vehicle battery system.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogramm bereit, das alle Schritte des zuvor beschriebenen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft. Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens bereit, wenn der Programmcode auf einem Computer oder Steuergerät ausgeführt wird.The invention further provides a computer program that performs all the steps of the previously described method when running on a computing device. The invention further provides a computer program product with program code stored on a machine-readable medium for carrying out the method described above when the program code is executed on a computer or control unit.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verfahrensschritte nicht zwangsläufig in der beschriebenen Reihenfolge auszuführen. In einer weiteren Ausführungsform können die Verfahrensschritte auch ineinander verschachtelt sein (interleaving).It is within the scope of the invention not necessarily to carry out the method steps in the order described. In a further embodiment, the method steps can also be interleaved into one another.
Weiterhin ist es möglich, dass einzelne Abschnitte des beschriebenen Verfahrens als einzelne verkaufsfähige Einheiten und restliche Abschnitte des Verfahrens als andere verkaufsfähige Einheiten ausgebildet werden können. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren als verteiltes System auf unterschiedlichen Computerbasierten Instanzen, zum Beispiel Client-Server-Instanzen, zur Ausführung kommen. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Modul seinerseits unterschiedliche Sub-Module umfasst.Furthermore, it is possible that individual sections of the described method can be designed as individual salable units and remaining sections of the method as other salable units. Thus, the method according to the invention can be executed as a distributed system on different computer-based instances, for example client-server instances. For example, it is possible for a module to include different sub-modules.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das Batteriesystem
Die Batterie
Die Batterie
Die Vorrichtung
Die erste Erfassungseinrichtung umfasst eine erste Sensoreinrichtung
Die Verarbeitungseinrichtung
Zum Einleiten der Maßnahmen kann die Verarbeitungseinrichtung
Die Vorrichtung
Das Verfahren zur Überwachung der Feuchte in dem Batteriegehäuses
Somit kann die relative Feuchte im Innenraum des Batteriegehäuses
Das Batteriesystem
Die Batterie
Das Temperiermittel
Die Batterie
Die Vorrichtung
Die erste Erfassungseinrichtung umfasst eine erste Sensoreinrichtung
Die Vorrichtung
Die Verarbeitungseinrichtung
Die Vorrichtung
Das Verfahren zur Überwachung der Feuchte in dem Batteriegehäuses
Das Erfassen der Messwerte kann mittels der ersten Erfassungseinrichtung und / oder zweiten Erfassungseinrichtung erfolgen. Das Auswerten der erfassten Messwerte, Bestimmen und / oder Bewerten der relativen Feuchte und Einleiten der Maßnahme kann mittels der Verarbeitungseinrichtung
Das Einleiten der Maßnahme kann ein Signalisieren einer Störung umfassen. Dadurch kann, zum Beispiel, ein Fahrer eine Werkstatt kontaktieren und aufsuchen. Das Einleiten der Maßnahme kann ein Starten des Trocknens des Trockenmittels
Das Einleiten der Maßnahme kann ein Unterscheiden zwischen der Bildung von Tauwasser und dem Eindringen von Wasser als Störung umfassen. Dadurch kann eine der vorliegenden Störung angemessene Gegenmaßnahme ausgewählt und eingeleitet werden.The initiation of the action may include distinguishing between the formation of condensation and the ingress of water as a disturbance. As a result, a countermeasure appropriate to the present malfunction can be selected and initiated.
Das Einleiten der Maßnahme kann bei Bildung von Tauwasser, ein Erhöhen eines minimalen Temperaturwerts für das Temperiermittel
Das Erfassen der Messwerte kann ein Erfassen von Messwerten einer relativen Feuchte (rH), und Erfassen von Messwerten einer Temperatur (T) umfassen. Dadurch können die Bestimmung der relativen Feuchte und die Überwachung verbessert werden.The acquisition of the measured values may include acquiring measured values of a relative humidity (rH), and acquiring measured values of a temperature (T). This can improve the determination of relative humidity and monitoring.
Das Verfahren zur Überwachung der Feuchte kann weiterhin ein Erfassen von Messwerten der Temperatur (T) des Temperiermittels
Das Auswerten der erfassten Messwerte kann ein Bestimmen und / oder Auswerten von zeitlich abgeleiteten Messwerten, zum Beispiel zeitlich abgeleiteten Messwerten der relativen Feuchte und zeitlich abgeleiteten Messwerten der Temperatur, umfassen. Dabei können die zeitlich abgeleiteten Messwerte als zeitlich abgeleitete Messwertetupel bestimmt und / oder ausgewertet werden. Das Auswerten der erfassten Messwerte kann weiterhin ein Multiplizieren der zeitlich abgeleiteten Messwerte oder zeitlich abgeleiteten Messwertetupel umfassen. Dadurch können, wie mit Bezug auf
Es ist keine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, vorhanden. Bei einer Erhöhung der Temperatur T
Die Flüssigkeit kann durch eine Beschädigung des Batteriesystems, zum Beispiel durch eine Leckage eines Temperiersystems, zum Beispiel Kühlsystems, des Batteriesystems, in das Batteriesystem eindringen. Zunächst sinkt bei einer The liquid can penetrate into the battery system by damaging the battery system, for example by a leakage of a temperature control system, for example cooling system, of the battery system. At first it sinks at one
Erhöhung der Temperatur T
Somit liegt im Batteriesystem eine Störung vor, wenn gilt:
Dabei lässt sich aus den Vorzeichen der Ableitungen vor dem Zeitpunkt der Störung (t0 bzw. t1) die Art der Störung (Leckage oder Betauung) bestimmen:
Zunächst steigt bei einer Verminderung der Temperatur T
Zum Vergleich sind in
Somit kann, zum Beispiel, die Temperiermitteltemperatur
Das Auswerten der erfassten Messwerte kann eine Toleranz, insbesondere ein Toleranzband, einer der Sensoreinrichtungen
Das Verfahren zur Überwachung der Feuchte kann weiterhin ein Filtern von Werten, zum Beispiel erfassten Messwerten, ausgewerteten Messwerten und / oder berechneten Gradienten, umfassen. Dadurch kann ein Rauschen, zum Beispiel hochfrequentes Rauschen, unterdrückt, oder zumindest reduziert werden.The method for monitoring the humidity may further include filtering values, for example, acquired measured values, evaluated measured values and / or calculated gradients. As a result, noise, for example high-frequency noise, can be suppressed or at least reduced.
Das Verfahren zur Überwachung der Feuchte kann weiterhin ein Auswerten der Feuchte, Temperatur und Gradienten unter Berücksichtigung eines freien (netto) Volumens (Luftvolumens) des Innenraums des Batteriegehäuses
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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