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Patent Searching and Data


Title:
RECHARGEABLE BATTERY WITH MONITORING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/233910
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a rechargeable battery, which, in proper use, is to be installed in a passenger transport vehicle as storage for the drive energy thereof, wherein the rechargeable battery comprises a plurality of galvanic cells (1) and sensors for monitoring the state of the individual cells (1) for the purpose of generating warning messages concerning the failure of individual cells (1). One of the sensors is an infrared matrix sensor (5), wherein the acquisition range of the infrared matrix sensor (5) comprises an area on which surface sides of the plurality of individual cells (1) lie adjacent to one another.

Inventors:
SCHARNER SEBASTIAN (DE)
SCHMIDT JAN PHILIPP (DE)
FUCHS FRANZ (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/060508
Publication Date:
November 26, 2020
Filing Date:
April 15, 2020
Export Citation:
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Assignee:
BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG (DE)
International Classes:
B60L50/64; B60L3/00; H01M10/00
Foreign References:
CN108923006A2018-11-30
CN107358166A2017-11-17
DE102014106794A12015-11-19
DE102014106794A12015-11-19
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrischer Akkumulator, welcher bestimmungsgemäß als Spei cher für dessen Antriebsenergie in einem Fahrzeug für den Personentrans port zu verbauen ist, wobei der Akkumulator eine Mehrzahl von galvanischen Zellen (1) und Sensoren für die Überwachung des Zustandes der einzelnen Zellen (1) zum Zwecke des Generierens von Warnmeldungen über das Ver sagen einzelner Zellen (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Sensoren ein Infrarot-Matrixsensors (5) ist, wobei der der Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors (5) eine Fläche umfasst, an welcher Oberflächen seiten mehrerer einzelner Zellen (1) nebeneinander liegen.

2. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Infrarot-Matrixsensors (5) auf dem Prinzip von Thermo elementen basierend ist.

3. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass sich in einem Abstand zu der Fläche, an welcher Oberflä chenseiten der einzelnen Zellen (1) nebeneinander liegen, eine für Infrarot strahlung spiegelnde Schicht (6) befindet, und dass die Ausbreitungslinie von Infrarotstrahlung (7), welche durch den Infrarot-Matrixsensors (5) zu detek- tieren ist, von den einzelnen Zellen (1) aus an die spiegelnde Schicht (6) und von dieser weiter zum Infrarot-Matrixsensors (5) führt.

4. Elektrischer Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von in Abständen zueinander angeordneten Infrarot-Matrixsensoren (5) vorhanden ist, wobei sich der Er fassungsbereich der einzelnen Infrarot-Matrixsensoren (5) nur jeweils über eine Teilmenge von Zellen (1) erstreckt.

5. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass vom Infrarot-Matrixsensor (5) aus eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern zu jeweils einer einzelnen Zelle (1) führt.

Description:
ELEKTRISCHER AKKUMULATOR MIT ÜBERWACHUNGSVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Akkumulator, welcher bestim mungsgemäß als Speicher für dessen Antriebsenergie in einem Fahrzeug für den Personentransport zu verbauen ist.

Bei einem Akkumulator dieser Art ist die Möglichkeit des "thermischen Durchgehens" nicht vollkommen ausschließbar. Zum thermischen Durchge hen kann es kommen wenn in einem Volumenbereich des Akkumulators eine diesbezüglich relevante Temperaturgrenze nach oben hin überschritten wird - typischerweise durch Kurzschluss in einer einzelnen galvanischen Zelle.

Durch die erhöhte Temperatur werden weitere Reaktionen ausgelöst, welche die Temperaturerhöhung weiter antreiben. Durch Wärmeausbreitung werden größere Volumenbereiche von der Temperaturerhöhung betroffen, sodass sich damit auch die Menge an reagierenden Substanzen erhöht.

Zu dem Zweck ein derartiges Ereignis verhindern zu können, und um in dem Fall, dass es dennoch auftreten sollte, Folgeschäden möglichst klein hal ten zu können, wird der Zustand des Akkumulators mit mehrerlei Sensoren überwacht. Gemäß einem Aspekt dieser Überwachung wird dann, wenn ein Flinweis auf thermisches Durchgehen des Akkumulators erkannt wird, auto matisch eine Warnmeldung an die Fahrzeuginsassen ausgegeben. Dabei ist wichtig, dass die Warnmeldung zeitlich möglichst weit vor dem Zeitpunkt er folgt, an welchem die Überhitzung in den Umgebungsbereich des Akkumula tors überschlägt. Gemäß einem diesbezüglich relevanten sogenannten Pro pagationstest, beträgt die Zeitspanne, welche mit der Warnmeldung beginnt, und innerhalb dessen das überhitzte Volumen auf das Volumen des Akkumu lators begrenzt bleiben muss, fünf Minuten.

Bei der aus Sicherheitsgründen stattfindenden automatischen Zustand süberwachung des Akkumulators mittels Sensoren werden derzeit die

Zellspannung der einzelnen galvanischen Zellen des Akkumulators und für jeweils eine Kleingruppe von Zellen die Temperatur gemessen. Dabei sind die relevanten Indikatoren für eine Gefahr das Absinken der Zellspannung, ra- scher Temperaturanstieg und das Überschreiten einer oberen Temperatur grenze. Für das Vermeiden von falschen Alarmen und für das zuverlässige Erzeugen von passenden Warnmeldungen werden die Messergebnisse meh rerer Sensoren logisch miteinander verknüpft.

Die Temperaturmessungen erfolgen außerhalb der einzelnen Zelle und jeweils für mehrere Zellen gemeinsam. Auf Grund von Abstandsunterschie den zwischen dem jeweiligen Temperatursensor und den einzelnen Zellen variiert die Detektionszeit für eine Temperaturerhöhung von Zelle zu Zelle. Desto mehr verzögert ein Temperaturanstieg in einer Zelle detektiert wird, desto schwieriger wird die genaue Zuordnung des Fehlers und damit auch die richtige Entscheidung bezüglich einer Warnmeldung. Desto mehr geht ggf. von jener Zeitspanne verloren, innerhalb welcher nach einer Warnmeldung noch sicher kein Feuer und keine Explosion nach außen wirksam wird.

In der DE 10 2014 106 794 Al wird vorgeschlagen den Akkumulator eines elektrisch betriebenen Flurförderzeuges mit hülfe von mehreren Infra rotsensoren zu überwachen, welche sich in einem Abstand zu diesen ober halb der Zellen des Akkumulators befinden und ggf. Wärmestrahlung die von den Zellen emittiert wird detektieren. Das Ergebnis der Sensoren ergibt sich aus der Summe der Wärmestrahlung die von mehreren Zellen gemeinsam emittiert wird und stellt im Wesentlichen die Durchschnittstemperatur des Akkumulators dar. Das Ergebnis wird nur dazu verwendet, die maximale Ab gabe- bzw. Ladeleistung des Akkumulators dann gezielt verringern zu kön nen, wenn der Akkumulator erhöhte Temperatur aufweist. Ziel der Maßnah me ist es damit die Lebensdauer des Akkumulators zu verlängern.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin die Tem peraturüberwachung eines mehrere galvanische Zellen umfassenden elektri schen Akkumulators, welcher als mitgeführter Speicher für die Antriebsener gie eines Fahrzeuges für den Personentransport dient, dahingehend verbes sert auszuführen, dass Temperaturerhöhung jeder einzelnen Zelle besser als bisher zuverlässig rasch festgestellt werden kann und dabei auch der jeweili gen Zelle eindeutig zuordenbar ist. Für das Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen, die Temperatur mehre rer Zellen des Akkumulators mit Hilfe eines gemeinsamen Infrarot- Matrixsensors zu überwachen, welcher in einem Abstand zu den Zellen ange ordnet und so ausgerichtet ist, dass sein Erfassungsbereich eine Oberfläche der Zellen umfasst.

Indem der Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors auf eine sol che Oberflächenseite des Akkumulators ausgerichtet wird, an welcher Ober flächenseiten der einzelnen Zellen des Akkumulators nebeneinander liegen, ist aus den vom Infrarot-Matrixsensor laufend wiederholend generierten Wärmebildern erkennbar, welche Zelle zum jeweiligen Zeitpunkt an der beo bachteten Oberflächenseite welche Temperatur aufweist.

Damit werden gegenüber bisher übliche Methoden die Temperatur in den einzelnen Zellen eines Akkumulators zu eruieren die folgenden Vorteile erreicht:

- Die Fehlerdetektionszeit wird deutlich reduziert. Damit wird die Si cherheit erhöht dass Fehler erkannt werden bevor Signalleitungen durch den aufgetretenen Fehler zerstört werden können.

- Durch die schneller generierbare Warnmeldung ist es einfacher die Mindestzeitspanne zwischen Warnmeldung und frühestmöglichem Auftreten von Feuer oder Explosion garantiert einhalten zu können. Damit wird es ver tretbar an anderer Stelle Kosten für die Auslegung Sicherheit des Akkumula tors einzusparen.

- Die Verlässlichkeit der Zuordnung von Temperaturmessergebnissen zu einzelnen Zellen ist verbessert, da der Wärmefluss zwischen den Zellen die Messergebnisse nicht beeinflusst und da das relevante Infrarotlicht ggf. auch Staub- oder Rauchschwaden gut durchdringt.

- Die zeitliche Ausbreitung von thermischen Ereignissen im Akkumula tor kann detektiert werden. Die diesbezüglichen Informationen sind für die Ursachenfeststellung dieser Ereignisse und für die gezielte Weiterentwicklung von Akkumulatoren wertvoll.

Die Erfindung wird an Hand von stilisierten Zeichnungen zu einer bei spielhaften bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Akku mulators veranschaulicht:

Fig. 1 : zeigt eine Teilschnittansicht von oben auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten Akkumulator.

Fig. 2: zeigt den Akkumulator von Fig. 1 in einer Teilschnittansicht von der Seite.

Bei dem in den Zeichnungen skizzierten erfindungsgemäßen Akkumula tor steht eine Vielzahl von einzelnen galvanischen Zellen 1 mit jeweils oben liegenden Anschlüssen in mehreren Reihen nebeneinander in einem Gehäuse 2.

Zwischen den Zellen 1 und dem über diesen befindlichen Gehäusede ckel 3 befindet sich ein Hohlraum 4. An einem Randbereich des Hohlraums 4, bevorzugt in einer seitlichen Ausbuchtung des Gehäuses 2, ist der Infrarot- Matrixsensor 5 angeordnet.

Die Innenseite des Gehäusedeckels 3, also dessen zum Hohlraum 4 hin ausgerichtete Oberfläche, ist mit einer für Infrarotstrahlung spiegelnden Schicht 6 versehen. Der Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors 5 ist auf die spiegelnde Schicht 6 hin ausgerichtet und damit mittelbar auch auf die Zellen 1.

Infrarotlicht 7, welches an der dem Hohlraum 4 zugewandten Seite der Zellen 1 zufolge deren Temperatur emittiert wird, gelangt über die spiegeln de Schicht 6 an den Infrarot-Matrixsensor 5 und führt in diesem zu einem Detektionsergebnis,- welches typischerweise auf elektronischem Weg - an eine übergeordnete logische Verarbeitungseinheit (nicht dargestellt) übertra gen wird. Das Funktionsprinzip eines Infrarot-Matrixsensors 5 sei kurz erklärt:

Ein einfacher Infrarotsensor ist ein elektrooptischer Bauteil, welcher ei ne Sensorfläche aufweist, an welcher eintreffende Infrarotstrahlung eine quantifizierbare elektrische Größe wie z.B. eine elektrische Spannung oder einen ohmschen Widerstand verändert, und in welchem aus dieser Änderung ein elektrisches Signal generiert wird.

Ein Infrarot-Matrixsensor 5 ist ein an sich bekannter und käuflich er werbbarer Infrarotsensor bei welchem die Sensorfläche in nebeneinander lie gende weitgehend unabhängig voneinander funktionierende Teilflächen un terteilt ist, welche unabhängig voneinander Detektionsergebnisse liefern können, wobei die Sensorfläche zur Lichtquelle hin durch eine optische Linse hin abgedeckt ist, durch welche erreicht wird, dass einfallendes Infrarotlicht in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung auf einen genau definierte Teilflä chenbereich der Sensorfläche gelenkt wird. Den elektrischen Signalen aus den einzelnen Teilflächen der Sensorfläche kann damit eine Temperatur in den einzelnen Teilflächen der im Erfassungsbereich des Infrarot- Matrixsensors 5 liegenden Umgebung des Infrarot-Matrixsensors 5 zugeord net werden. Das heißt, dass der Infrarot-Matrixsensor 5 ein in Form von elektrischen Signalen vorliegendes Wärmebild von dem in seinem Erfas sungsbereich liegenden Umgebungsbereich generiert.

Für den vorliegenden Anwendungsfall vorteilhaft anwendbare Infrarot- Matrixsensoren 5, welche auf dem Prinzip von Thermoelementen basieren, haben beispielsweise Volumina im Bereich von einem halben Kubikzentime ter, Bildauflösungen in der Größenordnung von 100 Pixel, und Messfrequen zen von etwa zehn Wärmebildern pro Sekunde.

In der übergeordneten logischen Verarbeitungseinheit werden die In formationen aus einer Vielzahl von Einzelmessergebnissen aus dem Infrarot- Matrixsensor 5 sowie aus Messergebnissen von weiteren Sensoren, wie ins besondere Spannungssensoren (nicht dargestellt), welche die elektrische Spannungen in den einzelnen Zellen 1 messen, logisch miteinander ver knüpft. Wie schon eingangs ausgeführt wird als wesentliches Ergebnis dieser logischen Verknüpfung jeweils für den aktuellen Zeitpunkt die Entscheidung generiert, ob eine Warnmeldung die auf einen gefährlichen Defekt im Akku mulator hinweist, auszugeben ist oder nicht.

An Abwandlungen oder Weiterentwicklungen zu der skizzierten Bauwei se von erfindungsgemäßen Akkumulatoren, welche ebenfalls innerhalb des Erfindungsgedankens liegen, seien ohne Anspruch auf Vollständigkeit kurz erwähnt:

Das Erfassungsbereich des Infrarot-Matrixsensors 5 kann anstatt mit telbar über die spiegelnde Schicht 6 auch direkt auf die Zellen 1 hin ausge richtet sein. Gegenüber der Ausführung mit spiegelnder Schicht 6 muss bei ansonsten vergleichbarer Auslegung die Höhe des Hohlraums 4 in welchem sich das Infrarotlicht von den Zellen 1 zum Infrarot-Matrixsensor 5 hin aus breitet, größer bemessen werden.

Raumeinsparung im Tausch für etwas höheren Herstellungsaufwand ist erreichbar, indem eine Mehrzahl von Infrarot-Matrixsensoren 5 verwendet wird, welche in Abständen zueinander angeordnet sind, und deren Erfas sungsbereich jeweils nur auf eine Teilmenge der Zellen 1 hin ausgerichtet ist.

Raumeinsparung im Tausch für etwas höheren Herstellungsaufwand ist auch erreichbar, indem für die Übertragung von Infrarotlicht von den Zellen 1 zum Infrarot-Matrixsensor 5 hin kein leerer Hohlraum 4 vorgesehen wird, sondern eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern, wobei die einzelnen Lichtwel lenleiter von jeweils einer einzelnen Zelle 1 zum gemeinsam verwendeten Infrarot-Matrixsensor 5 führen.