DE102020200011A1

DE102020200011A1 - Warnsystem für einen elektrischen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102020200011A1
Application number: DE102020200011.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Börger; Jan MERTENS
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2021-07-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Warnsystem (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Batteriemanagementsystem (3), das zumindest einen ersten Sensor (5,6) zum Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers (2) und zumindest eine erste Auswerteeinrichtung (4) zum Ausgeben einer Warnmeldung in Abhängigkeit von durch den zumindest einen ersten Sensor (5,6) erfassten Daten aufweist, und mit einem von dem Batteriemanagementsystem (3) unabhängigen Überwachungssystem (7), das zumindest einen zweiten Sensor (8-13) zum Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers (2) sowie zumindest eine zweite Auswerteeinrichtung (14-19) zur Ausgabe einer Warnmeldung in Abhängigkeit von durch den zumindest einen zweiten Sensor (8-13) erfassten Daten aufweist. Es ist vorgesehen, dass der zumindest eine zweite Sensor (8-13) dazu ausgebildet ist, bei Auftreten einer thermischen Propagation in dem Energiespeicher durch den Energiespeicher (2) freigesetzte Energie in ein elektrisches Signal zum Ansteuern der zumindest einen zweiten Auswerteeinrichtung (14-19) zu wandeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Warnsystem für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Propagationswarnsystem, mit einem Batteriemanagementsystem, das zumindest einen ersten Sensor zum Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers und zumindest eine erste Auswerteeinrichtung zum Ausgeben einer Warnmeldung in Abhängigkeit von durch den zumindest einen ersten Sensor erfassten Daten aufweist, und mit einem von dem Batteriemanagementsystem unabhängigen Überwachungssystem, das zumindest einen zweiten Sensor zum Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers sowie zumindest eine zweite Auswerteeinrichtung zur Ausgabe einer Warnmeldung in Abhängigkeit von durch den zumindest einen zweiten Sensor erfassten Daten aufweist.
Warnsysteme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart beispielsweise die Offenlegungsschrift US 2018/0040926 A1 ein gattungsgemäßes Warnsystem, das einen einem Energiespeicher zugeordneten Drucksensor aufweist, der mit einem Steuergerät verbunden ist, um bei Erfassen eines Überdrucks in dem Energiespeicher eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Außerdem ist dem Energiespeicher ein Abstandssensor zugeordnet, der eine Verformung des Energiespeichers erfasst und insbesondere mit einem Sicherheitsmechanismus gekoppelt ist, um bei Erfassen einer kritischen Formveränderung des Energiespeichers beispielsweise den Energiespeicher von der Last elektrisch zu trennen. Damit ist aus der genannten Offenlegungsschrift ein Warnsystem mit zwei parallel zueinander wirkenden Systemen bekannt, die jeweils für sich genommen den Zustand des Energiespeichers überwachen und bei Bedarf eine Sicherheitsmaßnahme einleiten.
Aus der Offenlegungsschrift US 2006/0076926 A1 ist des Weiteren ein Energiespeicher mit einer Alarmeinrichtung bekannt. Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift US 2019/0036178 A1 ein Verfahren und ein System zum Überwachen einer Batterietemperatur bekannt, bei welchem Sensordaten drahtlos an einen Cloud-Dienst gesendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Warnsystem zu schaffen, das eine verbesserte Überwachung des Energiespeichers gewährleistet und insbesondere auch eine Überwachung im Ruhezustand beziehungsweise im geparkten Zustand eines Kraftfahrzeugs ohne Energiemehrverbrauch ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Warnsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Warnsystem hat den Vorteil, dass die Energie, die zur Erfassung eines kritischen Zustands des Energiespeichers benötigt wird, durch den kritischen Zustand des Energiespeichers selbst bereitgestellt wird. Hierdurch kann für die Detektierung des kritischen Zustands auf zusätzliche Energiequellen verzichtet und dadurch der Zustand jederzeit, insbesondere unabhängig vom Zündungszustand des den Energiespeicher aufweisenden Kraftfahrzeugs, festgestellt werden. Das erfindungsgemäße Warnsystem zeichnet sich dadurch aus, dass der zumindest eine zweite Sensor dazu ausgebildet ist, durch den Energiespeicher bei Auftreten einer thermischen Propagation des Energiespeichers freigesetzte Energie in ein elektrisches Signal zum Ansteuern der zumindest einen zweiten Auswerteeinrichtung zu wandeln. Dadurch wird die durch die Propagation freigewordene oder freigesetzte Energie des Energiespeichers dazu genutzt, das Signal zum Ansteuern beziehungsweise Triggern der Auswerteeinrichtung selbst bereitzustellen. Dadurch kann auf externe Energiequellen verzichtet werden und der zweite Sensor arbeitet vollkommen unabhängig von dem Batteriemanagementsystem.
Bevorzugt ist der zweite Sensor ein thermoelektrischer Sensor, ein piezoelektrischer Sensor, ein pyroelektrischer Sensor, ein Bimetallschalter oder ein Fotoelement. In der Ausbildung als thermoelektrischer Sensor wird der Seebeck-Effekt genutzt, wodurch Temperaturunterschiede im thermoelektrischen Material des Sensors in eine elektrisch nutzbare Signalspannung umgewandelt werden. Der thermische Sensor ist dazu nahe zu dem Energiespeicher oder an dem Energiespeicher selbst angeordnet, um die durch die Propagation des Energiespeichers freiwerdende Wärmeenergie in die entsprechende nutzbare Signalspannung umzuwandeln. Der piezoelektrische Sensor dient dazu, eine durch die thermische Propagation des Energiespeichers entstehende Verformung des Energiespeichers in eine elektrisch nutzbare Signalspannung umzuwandeln. Dazu ist der piezoelektrische Sensor bevorzugt an dem Energiespeicher derart angeordnet, dass er bei Auftreten einer Propagation und einem Aufschwellen des Energiespeichers mit einer Druckkraft beaufschlagt wird, durch welche die Signalspannung piezoelektrisch erzeugt wird. Die pyroelektrische Sensor nutzt den pyroelektrischen Effekt, durch welchen Temperaturänderungen in eine elektrisch nutzbare Signalspannung umgewandelt werden. Dabei werden insbesondere Temperaturänderungen berücksichtigt, die in kurzer Zeit zu einem starken Temperaturanstieg führen. War bei der Propagation innerhalb kürzester Zeit eine hohe thermische Energie freigegeben wird, ist auch die Verwendung des piezoelektrischen Sensors von Vorteil. In der Ausbildung als Bimetallschalter ergibt sich der Vorteil, dass sich der Bimetallschalter, der aus zwei miteinander verbundenen Streifen aus unterschiedlichen Materialien gefertigt ist, die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen, durch eine Temperaturerhöhung des Energiespeichers, beispielsweise aufgrund von Propagation verformt und durch seine Verformung beispielsweise einen elektrischen Schaltkreis schließt oder unterbricht, wodurch das elektrische Signal erzeugt wird. In der Ausbildung als fotoelektrischer Sensor wird elektromagnetische Strahlung in Form von Licht in eine elektrisch nutzbare Signalspannung umgewandelt. Hierzu weist der Sensor beispielsweise ein fluoreszierendes Reagenz auf, das durch ein Separator so lange getrennt bleibt, bis der Separator durch die thermische Energie des Energiespeichers bei Propagation aufschmilzt und dadurch das Reagenz freisetzt. Die dadurch entstehende Lichtquelle wird von dem Fotosensor detektiert und das erfasste Licht in eine elektrische Spannung gewandelt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Warnsystem mehrere zweite Sensoren auf, die gleich oder unterschiedlich ausgebildet sind. Die von den Sensoren gegebenenfalls erzeugten elektrischen Signal werden bevorzugt getrennt voneinander an gleiche oder unterschiedliche zweite Ausgabemittel weitergeleitet. Durch das Vorhandensein mehrerer zweiter Sensoren wird eine Plausibilisierung des durch einen Sensor erfassten kritischen Zustand des Energiespeichers ermöglicht. Darüber hinaus wird durch das Vorsehen unterschiedlicher zweiter Sensoren erreicht, dass die zweiten Sensoren auf unterschiedliche Reize reagieren, sodass beispielsweise eine Warnmeldung auch dann ausgegeben wird, wenn die Temperatur einen kritischen Wert überschreitet, eine Verformung des Energiespeichers jedoch (noch) nicht feststellbar ist.
Besonders bevorzugt ist die zumindest eine zweite Auswerteeinrichtung mit einer Energieversorgung zum Ausgeben der Warnmeldung verbunden, die unabhängig von einer Energieversorgung des ersten Ausgabemittels ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Überwachungssystem insgesamt unabhängig von dem Batteriemanagementsystem ist, auch in Bezug auf die Energieversorgung. Dadurch ist bei Ausfall des Batteriemanagementsystems ein sicheres Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers durch das Überwachungssystem gewährleistet.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Energieversorgung der zumindest einen zweiten Auswerteeinrichtung einen Versorgungsenergiespeicher, einen thermoelektrischen Generator oder ein Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs aufweist. Dadurch ist eine unabhängige Energieversorgung der zweiten Auswerteeinrichtung vorteilhaft gewährleistet.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest einer zweiten Auswerteeinrichtung eine Einschaltschaltung zugeordnet ist, durch welche die zweite Auswerteeinrichtung nur dann aktiviert wird, wenn die Einschaltschaltung durch das von dem zweiten Sensor gewandelte elektrische Signal beaufschlagt wird. Dadurch wird erreicht, dass erst dann Energie der weiteren Energieversorgung genutzt wird, wenn ein kritischer Zustand durch den jeweiligen zweiten Sensor erfasst wurde. Damit wird der Energieverbrauch des Warnsystems durch das Überwachungssystem im Ruhezustand nicht erhöht.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Einschaltschaltung zumindest einen Bipolartransistor, MOSFET oder eine integrierte Schaltung aufweist. Hierdurch ist eine einfache Verbindung der zweiten Auswerteeinrichtung mit der zugeordneten Energieversorgung bei Auftreten eines kritischen Zustand des Energiespeichers gewährleistet.
Besonders bevorzugt weist das Überwachungssystem eine Kommunikationseinrichtung zur Übermittlung des elektrischen Signals von dem jeweiligen zweiten Sensor zu der zumindest zweiten Auswerteeinrichtung auf, wobei die Kommunikationseinrichtung zur kabelgebundenen Signalübertragung zumindest eine elektrische Leitung oder einen CAN-BUS, zur drahtlosen Übertragung zumindest ein Funkmodul, ein Bluetooth-Modul, ein WLAN-Modul, oder zumindest ein optoelektronisches Kommunikationsmodul aufweist. Durch die Kommunikationseinrichtung ist somit eine kabelgebundene oder eine drahtlose Signalübertragung ermöglicht, wodurch beispielsweise auch eine Auswertung des Signals insbesondere insgesamt galvanisch getrennt von dem Überwachungssystem und/oder dem Batteriemanagementsystem vorteilhafterweise erfolgt.
Besonders bevorzugt weist die Überwachungseinrichtung ein Steuergerät auf, beispielsweise eine Plausibilisierungseinrichtung, das dazu ausgebildet ist, die Signale von mehreren zweiten Sensoren zur Plausibilisierung miteinander oder mit einem vorgegebenen Erwartungssignalwert zu vergleichen. Durch die Plausibilisierung wird gewährleistet, dass die Warnmeldung durch die zweite Auswerteeinrichtung nur dann ausgegeben wird, wenn tatsächlich ein kritischer Zustand des Energiespeichers vorliegt. Dazu wird der vorgegebene Erwartungssignalwert beispielsweise derart eingestellt, dass er einem Wert entspricht, der bei Propagation des Energiespeichers zu erwarten ist. Durch den Vergleich der Signale der mehreren zweiten Sensoren miteinander ist ebenfalls feststellbar, wie hoch die Wahrscheinlichkeit für das tatsächliche Auftreten einer Propagation des Energiespeichers ist, sodass beispielsweise die zweite Auswerteeinrichtung nur dann angesteuert wird, wenn mehrere der zweiten Sensoren ein entsprechendes Signal erzeugt haben.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die zumindest eine erste Auswerteeinrichtung und die zumindest eine zweite Auswerteeinrichtung mit der gleichen oder mit unterschiedlichen Sicherheitseinrichtungen verbunden. Sind die Auswerteeinrichtung mit unterschiedlichen Sicherheitseinrichtungen verbunden, so erfolgt auch eine Sicherheitsmaßnahme unabhängig voneinander, sodass insgesamt redundante Propagationswarnsysteme ausgebildet sind. Sind die Auswerteeinrichtung mit dem gleichen oder den gleichen Sicherheitseinrichtungen verbunden, so können Kosten und Bauraum gespart werden. Bei der oder den Sicherheitseinrichtungen handelt es sich insbesondere um Warneinrichtungen, die bei ihrer Ansteuerung beispielsweise ein akustisches, visuelles oder haptisches Warnsignal erzeugen, oder um Interventionseinrichtungen, die bei ihrer Ansteuerung eine Maßnahme einleiten, welches eine weitere Belastung des Energiespeichers und/oder mit dem Energiespeicher verbundener Komponenten verhindern. So handelt es sich beispielsweise bei der Interventionseinrichtung um eine ansteuerbare Trenneinrichtung, welche die elektrische Verbindung des Energiespeichers mit Komponenten des Kraftfahrzeugs bei seiner Ansteuerung trennt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige

Figur eine schematische Darstellung eines vorteilhaften Warnsystems für einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs.

Die Figur zeigt in einer schematischen Darstellung ein vorteilhaftes Warnsystem 1 für einen Energiespeicher 2 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Der Energiespeicher 2 weist mehrere Speicherzellen auf, die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind. Bei einem Fehlerfall oder Unfall kann es passieren, dass eine der Lithium-Ionen-Zellen Schaden nimmt und in kürzester Zeit eine hohe Menge elektrischer Energie, insbesondere in Form von thermischer Energie, freisetzt. Dies kann dazu führen, dass die beschädigte Lithium-Ionen-Zelle auch eine oder mehrere benachbarte Lithium-Ionen-Zellen des Energiespeichers 2 beschädigt, sodass eine Kettenreaktion in dem Energiespeicher 2 auftritt, durch welche alle oder nahezu alle Energiespeicherzellen beschädigt werden und Energie freisetzen. Diese sogenannte thermische Propagation setzt insgesamt in kurzer Zeit große Energiemengen, die zuvor in dem Energiespeicher 2 gespeichert waren, frei.
Diese schlagartige Energiefreisetzung äußert sich insbesondere durch einen starken Temperaturanstieg von bis zu mehreren 100 K, hohen internen Kurzschlussströmen von mehr als 60 A, einem starken Druckanstieg innerhalb der jeweiligen Energiespeicherzelle oder innerhalb des Energiespeichers aufgrund erhöhter Gasentwicklung, wobei der Druckanstieg insbesondere zu einer geometrischen Ausdehnung der jeweiligen Energiespeicherzelle oder des Energiespeichers insgesamt führt, sowie durch einen Verlust der Klemmenspannung und des Klemmenstroms.
Bekannte Batteriemanagementsysteme setzen einen oder mehrere Sensoren ein, um den Energiespeicher 2 darauf zu überwachen, ob er einen kritischen Zustand erreicht, der beispielsweise durch thermische Propagation begründet sein kann. Das Warnsystem 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist auch ein solches Batteriemanagementsystem 3 auf. Dieses weist eine Auswerteeinrichtung 4 sowie dem Energiespeicher 2 zugeordnete erste Sensoren 5, 6 auf, wobei der Sensor 5 dem Energiespeicher 2 zugeordnet, jedoch beabstandet von diesem angeordnet ist, und wobei der Sensor 6 direkt an dem Energiespeicher 2 angeordnet ist, beispielsweise in einer der Energiespeicherzellen. Es können auch mehrere Sensoren 5 und 6 vorhanden sein. Als typische Batteriemanagementsensoren 5, 6 sind beispielsweise Temperatursensoren, Spannungssensoren, Stromsensoren, Impedanzsensoren, Drucksensoren oder dergleichen bekannt. Die Auswerteeinrichtung 4 ist mit den Sensoren 5, 6 verbunden, um die Sensorsignale auszuwerten und beispielsweise mit vorgegebenen Grenzwerten zu vergleichen, sodass auf einen kritischen Zustand des Energiespeichers 2 beispielsweise dann geschlossen wird, wenn einer der Grenzwerte durch eines der erfassten Signale beziehungsweise durch eines von den Sensoren 5, 6 erzeugten Signale überschritten wird.
Zusätzlich zu dem Batteriemanagementsystem 3 weist das hier vorgestellte Warnsystem 1 ein von dem Batteriemanagementsystem 3 unabhängiges Überwachungssystem 7 auf. Das Überwachungssystem 7 weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere dem Energiespeicher 2 zugeordnete zweite Sensoren 8 bis 13 auf, denen jeweils eine Auswerteeinrichtung 14 bis 19 zum Ausgeben einer Warnmeldung zugeordnet ist. Bei der Warnmeldung handelt es sich vorliegend insbesondere um ein elektrisches Warnsignal beziehungsweise Informationssignal. Alternativ können mehreren der zweiten Sensoren 8 bis 13 auch einer gemeinsame Auswerteeinrichtung zugeordnet sein. Die Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 sind mit einer Energieversorgung 20 verbunden, die unabhängig von einer Energieversorgung des Batteriemanagementsystems 3 ist. Liegt ein Fehlerfall in der Energieversorgung des Batteriemanagementsystems 3 vor, kann somit das Überwachungssystem 7 trotzdem weiterbetrieben werden.
Die zweiten Sensoren 8 bis 13 zeichnen sich dadurch aus, dass ihre elektrische Energie zum Sensieren eines Zustands des Energiespeichers 2 nicht durch eine Energieversorgung von extern bereitgestellt wird, sondern dass sie dazu ausgebildet sind, die bei einer Propagation des Energiespeichers 2 freigesetzte Energie des elektrischen Energiespeichers 2 in elektrische Energie, insbesondere in ein elektrisches Signal zu wandeln, das der jeweils zugeordneten Auswerteeinrichtung 15 bis 19 zugeführt wird. Dabei sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweiten Sensoren 8 bis 13 unterschiedlich ausgebildet:

Vorliegend ist der Sensor 8, welchem die Auswerteeinheit 14 zugeordnet ist, als Magnetometer, beispielsweise in Form eines Hall-Sensors, ausgebildet und dem Energiespeicher 2 derart zugeordnet, dass er Änderungen eines Magnetfelds, die durch Änderungen von elektrischen Strömen des Energiespeichers begründet sind erfasst.

Der zweite Sensor 9 ist vorliegend als thermoelektrischer Sensor ausgebildet, der basierend auf dem Seebeck-Effekt Temperaturunterschiede in einem thermoelektrischen Material des Sensors 9 in eine elektrisch nutzbare Signalspannung umwandelt. Mit zunehmender Temperatur nimmt auch die gewandelte elektrische Signalapannung zu, sodass ein Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes durch die dem Sensor 9 zugeordnete Auswerteeinrichtung 15 einfach detektierbar ist.
Der zweite Sensor 10 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als pyroelektrischer Sensor ausgebildet, der basierend auf den pyroelektrische Effekt durch Temperaturänderungen, insbesondere durch einen starken Temperaturanstieg in kurzer Zeit, wie er bei einer thermischen Propagation auftreten kann, die Temperaturänderung in ein elektrisches Signal beziehungsweise in eine elektrische Signalspannung umwandelt, die der Auswerteeinrichtung 16 zugeführt wird. Auch hier ist beispielsweise ein Vergleichen des vorgegebenen Grenzwerts durch die Auswerteeinrichtung 16 vorgesehen, um das Eintreten eines kritischen Zustands des Speichers 2 bei Überschreiten des Grenzwertes durch die erzeugte Signalspannung als elektrisches Signal zu erfassen.
Der zweite Sensor 11 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als piezoelektrischer Sensor ausgebildet, der den piezoelektrischen Effekt ausnutzt. Dazu ist der zweite Sensor 11 direkt an einer Wand des Energiespeichers 2 und/oder einer Energiespeicherzelle des Energiespeichers 2 angeordnet, um bei dem Auftreten einer thermischer Propagation durch die entstehenden Verformung des Energiespeichers 2 mit einer Druckkraft beaufschlagt zu werden, die durch den piezoelektrischen Effekt in eine elektrische Signalspannung umgewandelt wird. Auch hier ist in Abhängigkeit von der erzeugten Signalspannung und einem vorgegebenen Grenzwert durch die zugeordnete Auswerteeinrichtung 17 das Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers 2 gewährleistet.
Der zweite Sensor 12 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Bimetallschalter ausgebildet, der zwei Metallstreifen aus unterschiedlichen Materialien aufweist, die sich damit bei einer Erwärmung durch den Energiespeicher unterschiedlich stark ausdehnen, was zu einer Verformung des Bimetallschalters führt. Durch diese Verformung wird bei Auftreten entsprechend hoher Hitze durch den Energiespeicher 2, wie sie bei einer Propagation auftreten kann, ein elektrischer Schaltkreis geschlossen, oder alternativ geöffnet, und dadurch ein elektrisches Signal erzeugt, das anzeigt, dass der Energiespeicher 2 einen kritischen Zustand erreicht hat. Das Signal wird der Auswerteeinrichtung 18 zugeführt.
Der zweite Sensor 13 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Fotosensor ausgebildet, der einen fotoelektrischen Effekt ausnutzt. Elektromagnetische Strahlung in Form von Licht wird durch ein Fotoelement 13` in eine elektrisch nutzbare Signalspannung umgewandelt. Denkbar zur konkreten Realisierung ist es, ein fluoreszierendes Reagenz 13" vorzusehen, das durch einen Separator solange von dem Fotoelement 13` getrennt bleibt, bis der Separator durch die bei der thermischen Propagation freigesetzte thermische Energie aufschmilzt und das Reagenz 13" freisetzt. Dadurch entsteht eine Lichtquelle, die von dem Fotoelement 13' des Sensors 13 insbesondere in einer Fluoreszenskammer erfassbar ist. Die Lichtstärke des erfassten Lichts führt zu einer entsprechenden elektrischen Signalspannung, die durch die Auswerteeinrichtung 19 erfassbar ist. Auch hier erfolgt bevorzugt durch die Auswerteeinrichtung 19 ein Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzwert, um festzustellen, ob ein kritischer Zustand des Energiespeichers 2 vorliegt.
Die durch die zweiten Sensoren 8 bis 13 erzeugbaren elektrischen Signale werden getrennt voneinander durch die unterschiedlichen Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 ausgewertet. Diese Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 sind dabei durch die von dem Batteriemanagementsystem 3 getrennte Energieversorgung 20 versorgt, sodass das Überwachungssystem 7 unabhängig zu dem Batteriemanagementsystem 3 vorliegt. Als Energieversorgung 20 ist es denkbar, ein 12-Volt-Bordnetzssystem, also ein Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs, zu nutzen, während das Batteriemanagementsystem 3 durch ein Hochspannungsnetz desselben Kraftfahrzeugs, das galvanisch von dem von dem Niederspannungsbordnetz getrennt ist, versorgt wird. Alternativ ist vorgesehen, dass die Energieversorgung 20 durch einen zusätzlichen Energiespeicher, insbesondere in Form einer kleinformatigen Batterie, realisiert ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels wird die Energieversorgung 20 durch einen thermoelektrischen Generator realisiert, der insbesondere, beispielsweise bei Plug-in-Hybridfahrzeugen, im Bereich eines Verbrennungsmotors oder am Abgasstrang angeordnet ist, um durch die dort erzeugte Wärmeenergie elektrische Leistung bereitzustellen.
Die signalverarbeitenden Schaltungen beziehungsweise Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 sind bevorzugt im Ruhezustand solange ausgeschaltet, bis der jeweilige Signalpfad des zugeordneten zweiten Sensors 8 bis 13 signalisiert, dass ein Messsignal vorliegt. Dies wird insbesondere durch Einschaltschaltungen 25, beispielsweise mit Bipolartransistoren, MOSFETs oder integrierten Schaltkreisen, realisiert. Die verarbeiteten Signale der verschiedenen Sensoren 8 bis 13 werden anschließend erst an die Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 durch eine Kommunikationseinrichtung 21, weitergegeben. Alle Signalübertragungspfade werden bevorzugt ebenfalls redundant ausgeführt. Die Sensoren 8 bis 13 sind dabei mit den jeweils zugeordneten Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 bevorzugt durch eine elektrische Leitung, beispielsweise durch einen CAN-BUS, miteinander verbunden. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist als Kommunikationseinrichtung 21 zwischen dem jeweiligen Sensor 9 bis 13 der zugehörigen Auswerteeinrichtung 14 bis 19 eine drahtlose Kommunikationseinrichtung vorgesehen, wie beispielsweise eine Bluetoothverbindung, Funkverbindung oder WLAN- Verbindung. Auch denkbar als Kommunikationseinrichtung 21 ist eine Übertragung des Signals durch optoelektronische Kommunikationsmittel, wie beispielsweise Optokoppler, Lichtwellenleiten oder dergleichen.
Die Signalauswertung durch die Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 erfolgt dabei bevorzugt redundant. Hierzu können die verschiedenen Signale der Sensoren 8 bis 13 durch die Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 auf eine Informationsredundanz geprüft beziehungsweise auf Plausibilität geprüft werden. Liegen beispielsweise von mindestens drei voneinander unabhängigen Signalfaden die Meldung über einen kritischen Zustand des Energiespeichers 2, insbesondere bezüglich einer thermischen Propagation vor, so wird durch ein beispielsweise übergeordnetes Steuergerät 22 entschieden, dass ein kritischer Zustand vorliegt und dass beispielsweise eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden muss. Dazu sind die Auswerteeinrichtungen 14 bis 19 insbesondere mit dem Steuergerät 22 drahtgebunden oder drahtlos verbunden. Das Steuergerät 22 ist insbesondere mit einer oder mit mehreren Sicherheitseinrichtungen 23, 24 verbunden, um diese bei Erfassung eines kritischen Zustandes des Energiespeichers 2, der durch die von der jeweiligen Auswerteeinrichtung 13 bis 19 gegebenenfalls erzeugte Warnmeldung angezeigt wird, anzusteuern.
Bei den Sicherheitseinrichtungen 23, 24 handelt es sich insbesondere um unterschiedliche Sicherheitseinrichtungen. Es handelt sich beispielsweise bei der Sicherheitseinrichtung 23 um eine Warneinrichtung, die ihrer Ansteuerung ein optisches, akustisches oder haptisches Signal ausgibt, das den Fahrer des Kraftfahrzeugs darüber informiert, dass ein kritischer Zustand des Energiespeichers 2 vorliegt. Die Sicherheitseinrichtung 24 ist bevorzugt als Interventionseinrichtung ausgebildet, die bei Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers 2 eine Gegenmaßnahme einleitet, wie beispielsweise eine elektrische Trennung des Energiespeichers 2 von dem übrigen elektrischen Netz des Kraftfahrzeugs, um elektrische/elektronische Komponente des Kraftfahrzeugs vor den Auswirkungen der thermischen Propagation des Energiespeichers 2 zu schützen.
Vorzugsweise werden auf den Auswerteeinrichtungen 14 bis 19, im Batteriemanagementsystem 3 und/oder in einer an das redundante Überwachungssystem 7 drahtlos angebunden extern Cloud-Einrichtung neben der bereits üblichen Methode zur Erkennung von thermostatischer Propagation, wie das augenwirkliche Erkennen von starken Änderungen von Messgrößen, Algorithmen oder Methoden verwendet, die die Kenntnis von thermischer Propagation zusätzlich beurteilen können. Insbesondere werden dazu beispielsweise durch das Steuergerät 22 die im folgen genannten Methodemodelle eigesetzt, um aktuelle Messwerte mit zuvor ermittelten Vergleichswerten für thermische Propagation zu beurteilen: a) Electrical equivalent circuit Modelle, b) Modellenverfahren zur Ermittlung des sicheren Zustands einer Batterie basierend auf den Therorien von Semenov, Frank-Kamenetzkii oder Thomas, c) Computer-Fluid-Dyamik-Modelle, d) multi-scale-multi-domain-Modelle, e) reduced-order-modeling-Modelle oder weitere Modellierungsmöglichkeiten.
Wird eine Anbindung durch die Sensoren 8 bis 13 erfassten Daten beziehungsweise erzeugten Signale an eine externe Cloud-Einrichtung vorgesehen, können außerdem weitere statistische Methoden aus dem Bereich des Maschinen-Learnings auf die erfassten Daten im Bezug auf thermische Propagation angewendet werden. Hierzu werden bevorzugt zunächst Datensätze aller verwendeten Sensoren 8 bis 13 in der Cloudeinrichtung von verschiedenen Kraftfahrzeugen gesammelt, sowohl im fehlerfreien Betrieb als auch bei Auftreten einer thermischen Propagation. Anschließend werden unter Anwendung der Methoden des Maschinen-Learnings diejenigen Situationen dem Algorithmus antrainiert, in denen das Auftreten von thermischer Propagation höchstwahrscheinlich ist. Die so geschaffene zusätzliche Beurteilungsinstanz kann dann als weitere redundante Entscheidungshilfe für die Detektion- und Intervention beziehungsweise für die Warnung vor thermischer Propagation verwendet werden.
Die beschriebene Ausbildung des Warnsystems 1 hat den Vorteil, dass trotz der redundanten Ausbildung der Überwachung des Energiespeichers 2 kein erhöhter Ruhestromverbrauch und damit keine Reichweitenreduktion bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen entsteht. Darüber hinaus bietet das Warnsystem eine hohe Sicherheit bezüglich der Erkennung eines kritischen Zustands des Energiespeichers 2 sowie eine hohe Ausfallsicherheit des Systems zur Erfüllung gesetzlich geforderter Propagationswarnmeldungen. Darüber hinaus können Gegenmaßnahmen zur Schadenbegrenzung besonders zeitnah eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Warnsystem
2: Energiespeicher
3: Batteriemanagementsystem
4: Auswerteeinrichtung
5: Sensor
6: Sensor
7: Überwachungssystem
8: Sensor
9: Sensor
10: Sensor
11: Sensor
12: Sensor
13: Sensor
14: Auswerteeinrichtung
15: Auswerteeinrichtung
16: Auswerteeinrichtung
17: Auswerteeinrichtung
18: Auswerteeinrichtung
19: Auswerteeinrichtung
20: Energieversorgung
21: Kommunikationseinrichtung
22: Steuergerät
23: Sicherheitseinrichtung
24: Sicherheitseinrichtung
25: Einschaltschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018/0040926 A1 [0002]
US 2006/0076926 A1 [0003]
US 2019/0036178 A1 [0003]

Claims

Warnsystem (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Batteriemanagementsystem (3), das zumindest einen ersten Sensor (5,6) zum Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers (2) und zumindest eine erste Auswerteeinrichtung (4) zum Ausgeben einer Warnmeldung in Abhängigkeit von durch den zumindest einen ersten Sensor (5,6) erfassten Daten aufweist, und mit einem von dem Batteriemanagementsystem (3) unabhängigen Überwachungssystem (7), das zumindest einen zweiten Sensor (8-13) zum Erfassen eines kritischen Zustands des Energiespeichers (2) sowie zumindest eine zweite Auswerteeinrichtung (14-19) zur Ausgabe einer Warnmeldung in Abhängigkeit von durch den zumindest einen zweiten Sensor (8-13) erfassten Daten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zweite Sensor (8-13) dazu ausgebildet ist, bei Auftreten einer thermischen Propagation in dem Energiespeicher durch den Energiespeicher (2) freigesetzte Energie in ein elektrisches Signal zum Ansteuern der zumindest einen zweiten Auswerteeinrichtung (14-19) zu wandeln.
Warnsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (8-19) ein thermoelektrischer Sensor (9), ein piezoelektrischer Sensor (11), ein pyroelektrischer Sensor (10), ein Bimetallschalter (12) oder ein Fotosensor (13) ist.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Warnsystem (1) mehrere zweite Sensoren (8-13) aufweist, die gleich oder unterschiedlich ausgebildet sind.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zweite Auswerteeinrichtung (14-19) mit einer Energieversorgung so verbunden ist, die unabhängig von einer Energieversorgung der ersten zumindest einen Auswerteeinrichtung (4) ist.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung (20) der zumindest einen zweiten Auswerteeinrichtung (14-19) ein Energiespeicher, ein thermoelektrischer Generator oder ein Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs ist.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest einen zweiten Auswerteeinrichtung (14-19) eine Einschaltschaltung (25) zugeordnet ist, durch welche die zweite Auswerteeinrichtung (14-19) nur dann aktiviert wird, wenn die Einschaltschaltung (25) mit dem von dem zweiten Sensor (8-13) gewandelten elektrischen Signal beaufschlagt wird.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltschaltung (25) zumindest einen Bipolartransistor, MOSFET oder eine integrierte Schaltung aufweist.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem (1) eine Kommunikationseinrichtung (21) zur Übermittlung des Signals zu der zweiten Auswerteeinrichtung (14-19) aufweist, wobei die Kommunikationseinrichtung (21) zur kabelgebundenen Signalübertragung zumindest eine elektrische Leitung oder einen CAN-BUS, und/oder zur drahtlosen Übertragung zumindest eine Funkeinrichtung, ein Bluetooth-Modul, ein WLAN-Modul und/oder ein optoelektronisches Kommunikationsmodul aufweist.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (7) ein Steuergerät (22) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die Signale der mehreren zweiten Sensoren (8-13) zur Plausibilisierung miteinander oder jeweils mit einem vorgegebenen Erwartungssignalwert zu vergleichen.
Warnsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Auswerteeinrichtung (4) und die zweiten Auswerteeinrichtung (14-19) mit der gleichen oder mit unterschiedlichen Sicherheitseinrichtungen (23,24), insbesondere Warneinrichtungen und/oder Interventionseinrichtungen, verbunden sind.