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Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichervorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Energiespeichervorrichtung.
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Eine elektrische Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder ein Hochvoltspeichersystem, insbesondere eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, sein. Die Bezeichnung „Hochvolt“ bezieht sich insbesondere auf ein Potential beziehungsweise eine Nennspannung von etwa 60 Volt bis etwa 1,5 Kilovolt bei Gleichspannungen oder von etwa 30 Volt bis etwa 1 Kilovolt bei Wechselspannungen. Eine Hochvoltbatterie umfasst dabei in der Regel ein Gehäuse (Batteriegehäuse), in welchem zum Beispiel eine Vielzahl an Batteriezellen in geeigneter und bekannter Weise zu einem Zellverbund zusammengeschlossen angeordnet sind. Die Batteriezellen können dabei direkt im Gehäuse angeordnet oder in Modulen verbaut sein.
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Nun kann es passieren, dass sich in dem Batteriegehäuse und/oder dem Modulgehäuse eine, insbesondere elektrisch leitfähige Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, Wasserkühlmittelgemisch oder das Batterieelektrolyt (Batteriesäure), sammelt. Die Flüssigkeit kann beispielsweise von der Umgebung her und/oder aus dem Kühlsystem, oder durch Kondensatbildung in das jeweilige Gehäuse eindringen. Wenn sich aber Flüssigkeit in dem jeweiligen Gehäuse ansammelt, kann es bekanntermaßen zu einer Funktionsstörung oder einem Ausfall einzelner Batteriezellen und/oder einzelner Batteriemodule und/oder der gesamten Hochvoltbatterie kommen. Deshalb ist es vorteilhaft, Flüssigkeitsansammlungen in der Hochvoltbatterie, also deren Gehäuse, zu detektieren.
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Um allgemein Defekte oder Fehler, wie beispielsweise niederohmige oder hochohmige Verbindungen (Kurzschluss, Leerlauf) in elektrischen Funktionsgruppen oder Schaltungsanordnungen, wie zum Beispiel einer elektrischen Energiespeichervorrichtung, zu detektieren, sind aus dem Stand der Technik zudem noch verschiedene Maßnahmen bekannt.
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Aus der
EP 1 898 227 A1 ist zum Beispiel eine Schaltungsanordnung zum resistiven Detektieren von Leckströmen in einer Hochvoltbatterie bekannt.
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Zudem ist beispielsweise aus der
US 6,677,761 B1 ein Verfahren zum Lokalisieren von Isolationsfehlern in elektrischen Leitungen einer Schaltungsanordnung bekannt. Ein Isolationsfehler wird dabei detektiert, indem ein reflektiertes Signal erfasst wird, das entsteht, wenn ein Lichtbogen zwischen einem elektrischen Leiter und einem naheliegenden elektrisch leitfähigen Bauteil mit einem vorgegebenen Bezugspotential entsteht.
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Um nun speziell die Flüssigkeitsansammlung in dem Gehäuse einer Hochvoltbatterie oder eines Batteriemoduls feststellen zu können, können bekannte Detektionssensoren, zum Beispiel resistive oder kapazitive Detektionssensoren, genutzt werden. Solche Detektionssensoren verändern in der Regel ihre elektrischen Eigenschaften und somit auch ihr Sensorsignal, wenn sie mit Flüssigkeit in Berührung kommen. Somit können beispielsweise Widerstandsänderungen oder Spannungsdifferenzen vor Flüssigkeitseintritt im Vergleich zu nach dem Flüssigkeitseintritt gemessen werden und auf eine Flüssigkeitsansammlung rückgeschlossen werden.
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Ein Detektionssensor für Flüssigkeiten ist beispielsweise aus der
TN 108448182 A bekannt. Der hier beschriebene Detektionssensor weist dabei eine Absorptionsschicht auf, die bei Vorhandensein von Flüssigkeit einen Stromkreis einer elektrischen Schaltungsanordnung des Detektionssensors schließt.
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Ein Nachteil des genannten Stands der Technik ist es, dass immer ein separates Bauteil, nämlich der genannte Detektionssensor, verbaut werden muss, der notwendig ist, um eine Flüssigkeitsdetektion vorzunehmen. Solche Sensoren sind zudem häufig auch fehleranfällig, sodass die Möglichkeit der Falschsensierung besteht. Zur Vermeidung von Falschsensierung, also für eine sichere Detektion, kann es also notwendig sein, gegebenenfalls eine Redundanz von Detektionssensoren vorzusehen, was zu einer Mehrfachverbau von Detektionssensoren führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Detektion von Flüssigkeit bei einer elektrischen Energiespeichervorrichtung oder einer anderen elektrisch betreibbaren Funktionsgruppe kostengünstig zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Funktion eines solchen Detektionssensors auch durch bestehende Komponenten oder Bauteile einer elektrischen Energiespeichervorrichtung realisiert oder nachgebildet werden kann. Um nämlich Flüssigkeit beispielsweise im Gehäuse eines Hochvoltspeichers (Hochvoltbatterie) und anderen elektrischen oder elektronischen Komponenten zu detektieren, können beispielsweise bestehende Signal- oder Versorgungsleitungen im Kleinspannungsbereich innerhalb der Komponente genutzt werden. In einem Bereich (Überwachungsbereich), in dem die elektrisch leitfähige Flüssigkeit detektiert werden soll, können dazu eine oder mehrere Stellen der Leitung abisoliert.
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Solange sich nun keine Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich befindet, kann ein Signal oder Detektionssignal ungehindert über die Leitung übertragen werden. Liegt jedoch die elektrisch leitende Flüssigkeit an der abisolierten oder unisolierten Stelle der Leitung an, kann eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Leiter und einer elektrisch leitfähigen Komponente mit einem zu dem Leiter verschiedenen elektrischen Potential, wie beispielsweise ein Gehäuse oder eine anderer Signal- oder Versorgungsleitung der Hochvoltbatterie, entstehen. Dadurch kann es zu einem Kurzschluss kommen. Die daraus resultierende Veränderung des über den Leiter übertragenen elektrischen Signals, wie zum Beispiel ein Einbruch der Spannung (Potentialdifferenz des Potentials des Leiters und eines vorgegebenen Bezugspotentials) kann erfasst und somit zur Detektion des Vorhandenseins von Flüssigkeit in der Hochvoltbatterie genutzt werden.
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Anders ausgedrückt, betrifft die Erfindung eine elektrische Energiespeichervorrichtung mit einer Detektionseinrichtung zum Detektieren der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit in einem vorbestimmten Überwachungsbereich der Energiespeichervorrichtung. Die elektrische Energiespeichervorrichtung kann beispielsweise als Hochvoltbatterie oder Batteriemodul ausgestaltet sein. Die Detektionseinrichtung kann beispielsweise als Steuergerät der Energiespeichervorrichtung realisiert, und oder an dieses angeschlossen sein. Neben der Detektionseinrichtung weist die Energiespeichervorrichtung auch wenigstens eine Energiespeichereinheit, beispielsweise eine vorgenannte Batteriezelle, auf, die in dem Überwachungsbereich angeordnet ist. Der Überwachungsbereich kann somit beispielsweise ein vorgegebenes Volumen innerhalb eines vorgenannten Gehäuses sein, in welchem die Energiespeichereinheit angeordnet ist.
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Die Energiespeichereinheit ist dabei mit wenigstens einem mit einer elektrischen Isolierung ummantelten elektrisch leitfähigen Signalleiter mit der Detektionseinrichtung gekoppelt oder an diese angeschlossen. Dieser elektrisch leitfähige Signalleiter ist zumindest abschnittsweise in dem Überwachungsbereich angeordnet oder verlegt. Um nun die Detektion der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit innerhalb des Überwachungsbereichs zu ermöglichen, weist der wenigstens eine Signalleiter innerhalb derjenigen Abschnitte, welche in dem Überwachungsbereich angeordnet sind, wenigstens einen Detektionsbereich auf, bei welchem die Isolierung eine Unstetigkeit aufweist. Somit kann der jeweilige Detektionsbereich für die Flüssigkeit zugänglich gemacht werden. Die innerhalb des Überwachungsbereichs angeordneten Abschnitte des Signalleiters werden im Folgenden auch als Detektionsabschnitte bezeichnet.
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Die Detektionseinrichtung ist nun ausgebildet, ein mit dem elektrischen Signal korreliertes Detektionssignal des jeweiligen Signalleiters unter Anwendung eines vorbestimmten Detektionskriteriums auf Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit auszuwerten. Das heißt, die Detektionseinrichtung kann das über den Signalleiter übertragene Detektionssignal erfassen und einen Signalverlauf des Detektionssignals mit einem vorgegebenen Verlauf eines Vergleichssignals vergleichen, um auf das Vorhandensein der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit schließen zu können. Zum Beispiel kann eine vorgegebene Änderung des Signalverlaufs des Detektionssignals oder eine vorgegebene Abweichung von dem Vergleichssignal auf das Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich hindeuten.
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Zudem ist die Detektionseinrichtung ausgebildet, für den Fall, dass das Ergebnis des Auswertens darstellt, dass die elektrisch leitende Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich vorhanden ist, also bei Feststellen einer durch eine Kontaktierung des wenigstens einen Detektionsbereichs mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit erzeugten Veränderung des Signalverlaufs des Detektionssignal, ein Steuersignal zum Einleiten einer vorbestimmten Maßnahme bereitzustellen. Wie zuvor beschrieben, kann es nämlich bei der Kontaktierung des jeweiligen Detektionsbereichs mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit oder einer vorbestimmten elektrisch leitfähigen Komponente des elektrischen Energiespeichers über die elektrisch leitende Flüssigkeit beispielsweise zu einem Kurzschluss kommen. Dieser kann zum Einbruch oder zur Veränderung des Signalverlaufs des Detektionssignals führen.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Detektion von Flüssigkeit in der Energiespeichervorrichtung mit bereits vorhandenen Komponenten der Energiespeichervorrichtung realisiert werden kann. Ein zusätzlicher Verbau von weiteren Bauteilen, wie beispielsweise Sensoren und insbesondere ein Mehrfachverbau der Sensoren, kann somit vermieden werden. Dadurch können die Kosten zum Detektieren der Flüssigkeit reduziert und außerdem ein Bauraumbedarf für eine Energiespeichervorrichtung reduziert werden.
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Bei dem genannten Detektionssignal kann es bevorzugt um ein elektrisches Signal, wie beispielsweise ein elektrisches Potential des Signalleiters im Vergleich zu einem vorgegebenen Bezugspotential oder um eine Stromstärke handeln. Alternativ kann als Detektionssignal auch ein mit dem elektrischen Signal korreliertes Signal, wie beispielsweise eine Temperatur des Signalleiters vorliegen. Als die genannte Veränderung des Signalverlaufs des Detektionssignals (Signalveränderung) kann die Detektionseinrichtung somit beispielsweise eine Widerstandsänderung, eine Spannungsdifferenz oder eine Temperaturdifferenz detektieren. Die Signalveränderung kann sich insbesondere im Vergleich zu einem Vergleichssignal ergeben. Das Vergleichssignal kann beispielsweise ein Detektionssignal des Signalleiters sein, welches im Normalbetrieb der Energiespeichervorrichtung erfasst wurde, das heißt, bei Abwesenheit oder Nichtvorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich.
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Bei der vorbestimmten Maßnahme kann es sich beispielsweise um ein Deaktivieren oder elektrisches Trennen der jeweiligen Energiespeichereinheit von den übrigen Komponenten der elektrischen Energiespeichervorrichtung handeln. Mögliche weitere Maßnahmen sind im späteren Verlauf noch näher erläutert.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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In der folgenden Ausführungsform ist nun zunächst die genannte Unstetigkeit der Isolierung näher beschrieben.
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Gemäß einer ersten Variante dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Unstetigkeit der Isolierung mittels einer elektrischen Steckverbindung zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Signalleiters realisiert ist.
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Die Steckverbindung ist bevorzugt als unisolierte Steckverbindung oder Steckverbinder ausgestaltet. Somit kann der Signalleiter beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein, wobei die beiden Anschlüsse mittels der Steckverbindung reversibel oder lösbar elektrisch miteinander verbunden oder angeschlossen werden können. Zum Realisieren der Steckverbindung kann somit an jedem der beiden Anschlüsse ein Steckverbinder (Stecker oder Buchse) angebracht sein, die im Verbund oder im kontaktierten Zustand miteinander eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des jeweiligen Signalleiters bereitstellen. Bei dem Steckverbinder kann es sich beispielsweise um einen Hohlstecker, um einen Molexstecker, um einen Steckverbinder nach ATX-Norm oder um einen Drahtfederkontakt oder eine Drahtfederbuchse handeln.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Berührschutz für den jeweiligen Signalleiter so weiterhin gegeben ist.
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Gemäß einer zweiten Variante dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Isolierung des jeweiligen Signalleiters in dem wenigstens einen Detektionsbereich durchbrochen ist. Das heißt, der jeweilige Signalleiter kann in dem jeweiligen Detektionsbereich unisoliert oder abisoliert sein. Somit liegt ein Leiterkern des Signalleiters in dem jeweiligen Detektionsbereich frei.
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In einer dritten Variante dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Isolierung des jeweiligen Signalleiters in dem wenigstens einen Detektionsbereich aus einem flüssigkeitsdurchlässigen Material gebildet ist. Ein flüssigkeitsdurchlässiges Material kann beispielsweise ein auflösbares und/oder unbeschichtetes Papier sein. Alternativ kann als flüssigkeitsdurchlässiges Material auch ein elektrisch nicht-leitfähiger und wasserundurchlässiger Isolierstoff, wie beispielsweise ein Kunststoff, genutzt werden welcher Durchführöffnungen oder Poren aufweist. Dabei sind die Durchführöffnungen in die Isolierung eingearbeitet und durchbrechen oder durchdringen die Isolierung in Bezug auf ihre Materialstärke vollständig. Bevorzugt weisen die Durchführöffnungen einen Durchmesser kleiner als 1 Millimeter, insbesondere kleiner als ein Mikrometer, auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Berührschutz für den jeweiligen Signalleiter so weiterhin gegeben ist.
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Die folgenden Ausführungsformen beschreiben nun eine Ausgestaltung des jeweiligen Detektionssignals und des jeweiligen Signalleiters.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das jeweilige Detektionssignal ein Stromsignal und/oder ein Spannungssignal und/oder ein Temperatursignal darstellt. Somit kann die Detektionseinrichtung als das jeweilige Detektionssignal beispielsweise eine Stromstärke oder ein Potential im Vergleich zu einem vorgegebenen Bezugspotential oder eine Temperatur des Signalleiters erfassen und auswerten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Signalleiter für ein elektrisches Potential als Detektionssignal in einem Kleinspannungsbereich ausgestaltet. Mit Kleinspannungsbereich ist insbesondere ein Potential oder eine Nennspannung kleiner oder gleich 50 Volt für Wechselspannung und/oder kleiner oder gleich 120 Volt für Gleichspannungen gemeint. Somit weist das Detektionssignal ein elektrisches Potential bezogen auf das vorgegebene Bezugspotential oder Referenzpotential auf, welches kleiner oder gleich einer vorgegebenen Kleinspannung ist. Bevorzugt kann der jeweilige Signalleiter für ein Potential von etwa 3,5 Volt ausgelegt sein. Vorzugsweise ist der Signalleiter zudem für eine Stromstärke kleiner oder gleich 50 Milliampere ausgelegt. Das heißt, das Detektionssignal weist eine relative Stromstärke kleiner oder gleich 50 Milliampere auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine Signalleiter zum Übertragen eines Versorgungssignals und/oder eines Steuersignals ausgestaltet. Bevorzugt kann der Signalleiter als CAN-Bus, insbesondere als Leiter oder Ader eines CAN-Busses, zum Beispiel als CAN-High- oder CAN-Low-Leiter ausgebildet sein. Somit ist vorzugsweise eine symmetrische Signalübertragung, also eine gemeinsame Übertragung des Versorgungssignals und des Steuersignals möglich.
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In der folgenden Ausführungsform ist das vorgenannte Detektionskriterium näher beschrieben. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Detektionseinrichtung entsprechend dem Detektionskriterium ausgebildet zu überprüfen, ob das jeweilige Detektionssignal in einem vorgegebenen Wertebereich liegt. Weiterhin ist die Detektionseinrichtung ausgebildet, die vorbestimmte Maßnahme nur dann einzuleiten, wenn das jeweilige Detektionssignal den vorgegebenen Wertebereich verlässt, also beispielsweise überschreitet oder unterschreitet. Der Wertebereich weist somit insbesondere einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert auf, durch welche der Wertebereich aufgespannt ist. Bei dem Überprüfen kann die Detektionseinrichtung nun einen jeweiligen Wert des Detektionssignals mit den Grenzwerten des Wertebereichs vergleichen.
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Dadurch kann sowohl eine Beschädigung des Signalleiters als auch eine Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich der Energiespeichervorrichtung mittels der Detektionseinrichtung detektiert werden. Eine Beschädigung am Signalleiter, wie beispielsweise ein Abriss oder Riss des Signalleiters, würde nämlich zu einer hochohmigen Verbindung oder einem Leerlauf führen. Dadurch würde sich das Potential des Signalleiters im Vergleich zu einem vorgegebenen Referenzpotential erhöhen, während sich die Stromstärke des Signalleiters reduzieren würde. Würde sich hingegen die elektrisch leitfähige Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich befinden, würde sich eine niederohmige Verbindung oder ein Kurzschluss ergeben. Somit würde sich die gemessene Stromstärke des Signalleiters erhöhen, während sich das Potential des Signalleiters im Vergleich zu dem vorgegebenen Referenzpotential deutlich verringern würde. Somit kann je nach Fehlerfall, also der Beschädigung am Signalleiter, oder des Vorhandenseins der Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich auf den jeweiligen Fehlerfall rückgeschlossen werden.
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Die folgende Ausführungsform beschreibt nun mögliche Ausgestaltungen der vorbestimmten Maßnahme. Gemäß einer Variante der Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionseinrichtung ausgebildet ist, zum Einleiten der vorbestimmten Maßnahme das Steuersignal an eine Deaktivierungseinrichtung zum Deaktivieren der wenigstens einen Energiespeichereinheit und/oder der Energiespeichervorrichtung bereitzustellen. Somit kann als die vorbestimmte Maßnahme die dem Signalleiter zugeordnete Energiespeichereinheit oder gleich die gesamte Energiespeichervorrichtung deaktiviert werden. Somit kann eine Ausbreitung, die einen Defekt einer der Kontaktierungen des jeweiligen Detektionsbereichs mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit nach sich zieht, vermieden werden. Die Deaktivierungseinrichtung kann beispielsweise als elektronische Sicherung oder als Schaltschutzanordnung ausgebildet sein. Durch das Ansteuern der Deaktivierungseinrichtung kann somit die elektrische Energieversorgung zwischen der jeweiligen Energiespeichereinheit und der Detektionseinrichtung oder der Energiespeichervorrichtung und beispielsweise einem Bordnetz oder anderen elektrischen Komponenten entkoppelt oder elektrisch getrennt werden.
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In einer zweiten Variante dieser Ausführungsform ist die Detektionseinrichtung ausgebildet, zum Einleiten der vorbestimmten Maßnahme das Steuersignal an eine Ablasseinrichtung zum Ablassen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit aus dem Überwachungsbereich bereitzustellen. Somit kann als die vorbestimmte Maßnahme die Ablasseinrichtung aktiviert oder geöffnet werden. Die Ablasseinrichtung kann beispielsweise als schaltbare oder bedienbare Öffnungsklappe im Unterboden des jeweiligen Gehäuses der Energiespeichervorrichtung mit einem mittels einem elektrisch aktivierbaren Öffnungs- und Schließelement ausgebildet sein. Mittels des Steuersignals kann somit das Öffnungs- oder Schließelement zum Öffnen oder Schließen der Klappe angesteuert werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die elektrisch leitfähige Flüssigkeit aus dem Überwachungsbereich entfernt und somit wieder die normale Funktion oder der Normalbetrieb der Energiespeichervorrichtung hergestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Energiespeichervorrichtung zumindest zwei Signalleiter auf und die Detektionseinrichtung ist ausgebildet, eine Detektionssignaldifferenz der jeweiligen Signalleiter als das Detektionssignal unter Anwendung des vorbestimmten Detektionskriteriums auf Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit auszuwerten. Somit kann die Detektionseinrichtung beispielsweise die Signale beider Signalleiter erfassen und daraus die Detektionssignaldifferenz und somit das auszuwertende Detektionssignal bilden. Bei der Detektionssignaldifferenz kann es sich somit beispielsweise um eine Potentialdifferenz oder eine Stromstärkendifferenz oder eine Temperaturdifferenz handeln. Die beiden Signalleiter weisen dabei bevorzugt unterschiedliche oder verschiedene Detektionssignale auf. Zum Beispiel kann es sich bei dem einen der beiden Signalleiter um die zuvor genannte CAN-High-Ader und bei dem anderen der beiden Signalleiter um die zuvor genannte CAN-Low-Ader handeln. Durch das Auswerten kann die Detektionseinrichtung nun, wie zuvor beschrieben, feststellen, ob eine Kontaktierung der jeweiligen Detektionsbereiche der zumindest zwei Signalleiter miteinander durch die elektrisch leitende Flüssigkeit erfolgt ist. Dazu wertet die Detektionseinrichtung die bei Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit erzeugten Veränderungen des Signalverlaufs der Detektionssignaldifferenz aus. Weiterhin ist die Detektionseinrichtung ausgebildet, das Steuersignal daraufhin zum Einleiten der vorbestimmten Maßnahme bereitzustellen.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Detektion der Flüssigkeit mit den wenigstens zwei Signalleitern redundant erfolgen kann. Es kann also eine zusätzliche Sicherheit hinsichtlich der Detektion erreicht werden. Werden nämlich beide Leitungen durch die Flüssigkeit miteinander kurzgeschlossen, werden die Detektionssignale auf beiden Leitern beeinflusst.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Energiespeichervorrichtung als ein Batteriemodul umfassend wenigstens eine Batteriezelle als Energiespeichereinheit ausgestaltet. Dementsprechend ist die Detektionseinrichtung als ein dem Batteriemodul zugeordnetes Batteriemodulsteuergerät ausgestaltet. Jeder der Batteriezellen ist dabei ein Signalleiter zugeordnet, mittels welchem die jeweilige Batteriezelle mit der Detektionseinrichtung gekoppelt oder an die Detektionseinrichtung angeschlossen ist. Der Überwachungsbereich ist dabei durch einen jeweiligen von einem Gehäuse oder Modulgehäuse des Batteriemoduls eingegrenzten Bereich oder ein eingegrenztes Volumen oder wenigstens einen Teilbereich davon ausgebildet.
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Vorzugsweise betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit der Energiespeichervorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Energiespeichervorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte: Zunächst wird wenigstens ein Detektionsbereich, bei welchem die Isolierung des wenigstens einen Signalleiters innerhalb derjenigen Abschnitte, welche in dem Überwachungsbereich angeordnet sind, eine Unstetigkeit aufweist, bereitgestellt. Anschließend wird ein mit einem elektrischen Signal korreliertes Detektionssignal des jeweiligen Signalleiters unter Anwendung des vorbestimmten Detektionskriteriums auf Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit ausgewertet. Schließlich wird bei Feststellen einer durch die Kontaktierung des wenigstens einen Detektionsbereichs mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit erzeugten Veränderung des Signalverlaufs des Detektionssignals das Steuersignal zum Einleiten der vorbestimmten Maßnahme bereitgestellt.
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Vorzugsweise kann die Detektionseinrichtung, wie zuvor beschrieben, beispielsweise als Steuervorrichtung oder Steuergerät für die Energiespeichervorrichtung (Batteriemodulsteuergerät) Bevorzugt weist die Steuervorrichtung eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Controller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann auf einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben. Analog gilt dies auch für das genannte Kraftfahrzeug und die genannte Steuervorrichtung.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls als eine Energiespeichervorrichtung zum Detektieren einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, und
- 2 ein Signalflussdiagramm, welches beispielhaft einen Verfahrensablauf eines Verfahren zum Betreiben des Batteriemoduls darstellt.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt ein Batteriemodul 1, welches eine Energiespeichervorrichtung darstellen kann. Vorzugsweise kann das Batteriemodul 1 Teil einer Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs sein. Das Batteriemodul 1 weist, wie in 1 gezeigt, eine Batteriezelle 9, die beispielsweise eine Energiespeichereinheit darstellen kann, auf. Die Batteriezelle 9 ist dabei in einem Gehäuse 8 des Batteriemoduls 1 angeordnet. In vorteilhafter Weise kann das Batteriemodul 1 auch mehr als eine Batteriezelle 9 aufweisen. Mehrere Batteriezellen sind dabei bevorzugt in geeigneter Weise elektrisch leitend miteinander verbunden, was in 1 durch die strichlierte Verbindung 10 angezeigt ist.
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In dem Gehäuse 8, insbesondere in dem von dem Gehäuse 8 eingeschlossenen Volumen, kann sich nun eine Flüssigkeit 5 sammeln. Die Flüssigkeit 5 kann beispielsweise von einer Umgebung des Batteriemoduls 1 her, wie beispielsweise von einem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs, oder durch Kondensatbildung in dem Batteriegehäuse 8 oder durch einen Riss oder Defekt, also ein Auslaufen einer Batteriezelle 9, entstehen. Bei der Flüssigkeit kann es sich bevorzugt um eine elektrisch leitende oder leitfähige Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser oder einen Elektrolyt, wie beispielsweise Batteriesäure, handeln. Sammelt sich nun die Flüssigkeit 5 in dem Batteriegehäuse 8, kann es in bekannter Weise zu einem Defekt oder einer Funktionsstörung des Batteriemoduls 1 oder der Batteriezelle 9 führen.
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Um nun das Vorhandensein oder die Ansammlung der Flüssigkeit in dem Gehäuse 8 feststellen zu können, weist das Batteriemodul 1 zusätzlich noch eine Detektionseinrichtung 3 auf. Bevorzugt kann die Detektionseinrichtung 3 als Batteriemodulsteuergerät ausgestaltet sein. An diese Detektionseinrichtung 3 ist die Batteriezelle 9 mit wenigstens zwei elektrisch leitfähigen Signalleitern 13, 15 angeschlossen. Jeder der Signalleiter 13, 15, insbesondere ein Leiterkern jedes der Signalleiter 13, 15 ist dabei von einer elektrischen Isolierung 11 ummantelt oder vollständig umschlossen.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem jeweiligen Signalleiter 13, 15 um eine Signal- und Versorgungsleitung, welche im Kleinspannungsbereich arbeitet.
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Das heißt, ein elektrisches Signal, das zwischen der Detektionseinrichtung 3 und der Batteriezelle 9 mittels dem jeweiligen Signalleiter 13, 15 übertragen wird, weist ein Potential kleiner oder gleich 50 Volt für Wechselspannung oder kleiner oder gleich 120 Volt für Gleichspannungen im Vergleich zu einem vorgegebenen Referenzpotential (Erdpotential) auf. Bevorzugt kann das Potential einen Wert von etwa 3,5 Volt aufweisen. Mittels des jeweiligen Signalleiters 13, 15 kann somit sowohl eine Datenübertragung als auch eine Energieversorgung zwischen der Detektionseinrichtung 3 und der Batteriezelle 9 erfolgen. Entsprechend kann der erste der Signalleiter 13 beispielsweise als CAN-High-Leiter (CAN: Control Area Network) realisiert sein, während der zweite Signalleiter 15 als CAN-Low-Leiter ausgebildet ist.
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Die über die Signalleiter 13, 15 übertragenen Signale kann die Detektionseinrichtung 3 nun als Detektionssignale 19 erfassen und auswerten, um zu überprüfen, ob sich die elektrisch leitende Flüssigkeit 5 in einem durch das Gehäuse 8 vorgegebenen Überwachungsbereich 7 befindet. Für die Flüssigkeitsdetektion sind die Signalleiter 13, 15 zumindest abschnittsweise in dem Gehäuse 8, insbesondere in einem vorgegebenen Überwachungsbereich 7, angeordnet. Der Überwachungsbereich 7 wird gemäß 1 bevorzugt durch ein Teilvolumen, welches das Gehäuse 8 einschließt, gebildet.
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Um die Funktion der Signalleiter zur Flüssigkeitsdetektion näher zu beschreiben, ist in 1 zusätzlich eine vergrößerte Ansicht V der Signalleiter 13, 15 gezeigt. Dementsprechend können die beiden Signalleiter 13, 15 beispielsweise in einer gemeinsamen Kabelhülse 12 geführt werden. Innerhalb derjenigen Abschnitte, in welchen der jeweilige Signalleiter 13, 15 in dem Überwachungsbereich 7 angeordnet ist, weisen die Signalleiter 13, 15 einen jeweiligen Detektionsbereich 17 auf, bei welchem die gemeinsame Kabelhülse unterbrochen ist und die Isolierung 11 eine Unstetigkeit aufweist. In 1 ist diese Unstetigkeit als abisolierter Bereich, also als Bereich ohne Isolierung des jeweiligen Signalleiters 13, 15, dargestellt.
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Sammelt sich nun die elektrisch leitende Flüssigkeit 5 in dem Gehäuse, insbesondere in dem Überwachungsbereich 7, dient die elektrisch leitende Flüssigkeit 5 als leitfähiges Medium mittels welchem beiden Signalleitern 13, 15 miteinander kontaktiert werden können. Das heißt, wenn die elektrisch leitende Flüssigkeit 5 beide Detektionsbereiche 17 berührt, kann eine elektrisch leitende Verbindung über den jeweiligen Detektionsbereich 17 zwischen den beiden Signalleitern 13, 15 hergestellt werden. Dadurch würde sich ein Signalverlauf des jeweiligen von der Detektionseinrichtung 3 erfassten Detektionssignals 19 verändern. Zum Beispiel können die beiden Signalleitern 13, 15 kurzgeschlossen (niederohmige Verbindung) werden. Somit kann als das Detektionssignal 19 beispielsweise ein Einbruch oder Abfall einer Potentialdifferenz oder Spannung zwischen den beiden Signalleitern 13, 15 von der Detektionseinrichtung 3 festgestellt werden.
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Für den Fall, dass das Gehäuse 8 selbst aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, kann es alternativ bei Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit 5 auch zu einer elektrisch leitenden Verbindung der einzelnen Signalleiter 13, 15 mit dem Gehäuse 8 und/oder einer vorgebenden elektrisch leitfähigen Komponente in dem Überwachungsbereich kommen. Entsprechend kann es somit auch hierbei zu einem Kurzschluss kommen, sodass die Detektionseinrichtung 3 einen Einbruch oder Abfall des Potentials des jeweiligen Signalleiters 13, 15 im Vergleich zu einem vorgegebenen Bezugspotential detektieren kann.
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Zum Bestimmen, ob sich die Signalveränderung aufgrund der Kontaktierung mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit 5 ergeben hat, ist die Detektionseinrichtung ausgebildet, das jeweilige Detektionssignal 19 unter Anwendung eines vorbestimmten Detektionskriteriums auf Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit 5 auszuwerten. Gemäß dem Detektionskriterium kann die Detektionseinrichtung 3 beispielsweise überprüfen, ob sich das jeweilige Detektionssignal 19 innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs, insbesondere innerhalb eines oberen oder unteren Grenzwerts des Wertebereichs, befindet. Ein Verlauf des jeweiligen Detektionssignals 19 innerhalb dieses Wertebereichs beschreibt dabei einen Normalbetrieb des Batteriemoduls 1. Das heißt, es befindet sich keine oder eine unkritische Menge an elektrisch leitender Flüssigkeit 5 in dem Überwachungsbereich 7. Verlässt der Verlauf des jeweiligen Detektionssignals 19 jedoch den vorgegebenen Wertebereich, beschreibt dies einen Defekt oder eine Funktionsstörung des Batteriemoduls 1. In diesem Fall befindet sich also die elektrisch leitende Flüssigkeit 5 in dem Überwachungsbereich 7.
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Detektiert die Detektionseinrichtung 3 nun beim Auswerten des jeweiligen Detektionssignals eine entsprechende Veränderung des Signalverlaufs des jeweiligen Detektionssignals 19, welches auf das Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit zurückzuführen ist, kann die Detektionseinrichtung 3 ein Steuersignal 21 zum Einleiten einer vorbestimmten Maßnahme bereitstellen. Eine Maßnahme kann beispielsweise ein Ausgeben einer Warnung an einen Nutzer des Kraftfahrzeugs sein. Alternativ kann beispielsweise auch ein Notstopp des Kraftfahrzeugs ausgeführt werden. Es könnte jedoch auch Öffnungsmechanismus des Gehäuses 8 zum Ablassen der elektrisch leitenden Flüssigkeit aus dem Überwachungsbereich mit dem Steuersignal 21 angesteuert werden.
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2 fasst nun noch einmal einzelne Verfahrensschritte zusammen, die von dem Batteriemodul 1 zum Detektieren der elektrisch leitenden Flüssigkeit ausgeführt 5 in dem Überwachungsbereich 7 ausgeführt werden können. In einem Schritt S1 wird dabei zunächst der jeweilige Detektionsbereich 17 des jeweiligen Signalleiters 13, 15, der in dem Überwachungsbereich 7 angeordnet ist und eine Unstetigkeit zum Detektieren der elektrisch leitenden Flüssigkeit 5 aufweist, bereitgestellt. In einem Schritt S2 wird als nächstes das jeweilige Detektionssignal 19 unter Anwendung des zuvor genannten Detektionskriteriums ausgewertet, um auf das Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit in dem Überwachungsbereich 7 rückschließen zu können. Dazu kann in einem Entscheidungsschritt S3 beispielsweise von der Detektionseinrichtung überprüft werden, ob der Signalverlauf des Detektionssignals beziehungsweise ein jeweiliger Detektionswert innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt. Alternativ kann auch ein jeweiliger Detektionswert des Detektionssignals mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden. Liegt der Signalverlauf innerhalb des vorgegebenen Wertebereichs, kann die Detektionseinrichtung 3 den Normalbetrieb des Batteriemoduls bestätigen.
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Die elektrisch leitende Flüssigkeit 5 befindet sich somit nicht oder nur in einer unkritischen Menge in dem Überwachungsbereich 7. Anschließend kann der Signalfluss zurück zum Schritt S2 springen.
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Stellt die Detektionseinrichtung 3 jedoch eine Veränderung des Signalverlaufs des Detektionssignals dar, welche zu einem Verlassen des vorgegebenen Wertebereichs führt, kann die Detektionseinrichtung 3 das Vorhandensein der elektrisch leitenden Flüssigkeit 5 in dem Überwachungsbereich 7 bestätigen. Daraufhin kann die Detektionseinrichtung 3 gemäß einem Schritt S4 das Steuersignal 21 zum Einleiten der vorbestimmten Maßnahme bereitstellen.
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Insgesamt beschreibt die Erfindung somit eine Detektion von Flüssigkeit in Hochvoltspeichersystemen und anderen elektrischen Komponenten. Dabei brauchen keine zusätzlichen Detektionssensoren, wie beispielsweise Widerstandssensoren oder kapazitive Sensoren, also keine zusätzliche Sensorik in das Hochvoltspeichersystem integriert werden, um die Flüssigkeit zu detektieren. Die Detektion erfolgt über bestehende elektrische oder elektronische Komponenten insbesondere bestehende Signal- und Versorgungsleitungen des Hochvoltspeichersystems.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1898227 A1 [0005]
- US 6677761 B1 [0006]
- TN 108448182 A [0008]
