具有早期识别系统的电池系统和用于进行早期识别的方法与流程

1.本发明涉及一种具有用于热事件(thermische events)的早期识别系统的电池系统以及一种用于对电池系统中的热事件进行早期识别的方法。尤其地，本发明涉及电池系统，其完全或部分地涉及用于机动车的牵引用蓄电池、即用于机动车的驱动器的电蓄能器。这样的电池系统通常具有至少48v、大多数至少100v的电压。这样的电池系统的电压通常在100v至800v之间、优选在100v至400v之间。这样的电池系统的容量通常在10kwh至200kwh之间，在大多数情况下在50kwh至150kwh之间的中间范围内。因此还被称为高压电池系统。在实践中能见到的电池系统通常是具有锂离子电池单元的电池系统。为了在锂离子电池单元的热事件(热失控)和后续反应(热传播)中为了保护乘员(热传播乘员保护)的目的而运行，新研发的高压电池系统必须满足与认证有关的要求。电池系统必须通过控制器在针对机动车的乘员造成危险之前5分钟(撤离时间)发出警告，以便能够及时撤离车辆。


背景技术：

2.由专利文献de 10 2010 038 860 a1已知一种用于监视电池系统、尤其具有锂离子电池单元的电池系统中的临界状态的警告系统。该警告系统包括用于监视电池系统状态的一个或多个传感器、用于输出警告信号的器件和调节和控制单元，该调节和控制单元与用于状态监视的传感器和用于输出警告信号的器件如此连接，使得用于状态监视的传感器的测量值能由调节和控制单元接收、处理并且与参考值进行比较。此外，在确定测量值与参考值有偏差的情况下，用于输出警告信号的器件能被触发，其中，用于状态监视的传感器与调节和控制单元如此设计和相互协调，使得用于输出警告信号的器件在时间上能在电池系统中的临界状态出现之前被触发。关于该警告系统，一般性地指出使用温度传感器和气体传感器的可能性，其中，需要用气体传感器确定关于某种气体或气体混合物在电池系统内的释放或者从电池系统释放出来的数据。在此还参考对气体或含有h2、co和/或co2的气体混合物具有反应性的气体传感器，其中，应该利用以下事实，即某些气体的释放可以指示：电池系统处于临界状态或者即将达到电池系统的临界状态的可能性增加。气体传感器的使用细节或者对与气体传感器的使用相关的电池系统的具体设计的引用在该专利文献中未描述。在实践中，当使用许多传感器时，温度传感器的使用导致高成本，或者当发生热事件的电池单元和最接近的温度传感器之间的距离较大时导致直至通过测量升高的温度检测到热事件的相对大的时间偏移(量)。为了用这种系统实现开头提到的至少5分钟的警告时间，在由实践已知的电池系统中需要可观的鲁棒性措施。这些鲁棒性措施是耗费的、伴随着额外的车辆重量并且成本高昂。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有用于热事件的早期识别系统的电池系统以及一种用于对电池系统中的热事件进行早期识别的方法，借助于该电池系统和该方法能够尽可能早地并且可靠地检测电池系统中的热事件。
4.所述技术问题按照本发明通过电池系统和用于对电池系统中的热事件进行早期识别的方法解决。
5.按照本发明的电池系统具有多个电池单元和用于发生在这些电池单元中的热事件的早期识别系统，其中，至少一个电池单元设计为检测
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电池单元(detektions
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batteriezelle)并且为此目的与热敏的气体
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检测剂(gas
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detektionsmittel)导热地耦连，使得自达到所述检测
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电池单元处的极限温度起释放气体
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检测剂，并且气体传感器如此布置在电池系统中，使得气体
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检测剂的释放能借助于所述气体传感器检测到。因此，按照本发明的电池系统利用通常较高的气体传播速度和与此相关的作为检测剂的气体在时间上非常快速的可检测性，以便能够在发生热事件后不久以简单的方式方法检测热事件。因此，按照本发明的电池系统的反应时间非常短，并且电池系统本身可以相对廉价地实现，因为通过布置只一个唯一的气体传感器就已经能实现足够的系统稳定性并且一个或多个气体
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检测剂与多个电池单元的导热的耦连能够廉价地实现。借助于气体
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检测剂的温度监视可以称为整体的温度监视，该温度监视使得可以省去离散的温度传感器或者最多补充地考虑这种温度传感器。按照本发明的检测系统的另一优点在于，由于导热的连接，借助于气体
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检测剂对热事件的检测与只进行温度测量相比在很大程度上是与环境条件无关的，这尤其在机动车在非常低的外部温度下运行时是有利的，因为气体
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检测剂比可能与发生热事件的电池单元具有一定距离的温度传感器更灵敏地做出反应。
6.优选地，按照本发明的电池系统是封闭的系统、尤其是至少防尘地、优选还防水地封闭的电池系统。在这种情况下，所有元件都布置在电池系统内、例如在封闭的电池壳体中。
7.在电池系统按规定运行时通常不会出现在电池单元中的温度尤其可以用作极限温度。这可以例如是约80℃的温度，更确切地说，即使热事件在明显更高的温度、例如约150℃时才发生，极限温度也可以例如是约80℃。
8.优选地，至少一半的电池单元设计为检测
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电池单元，进一步优选大于70％、大于80％或大于90％的电池单元设计为检测
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电池单元，并且特别优选地，所有的电池单元设计为检测
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电池单元。以如下方式可以特别简单地廉价地实现将所有电池单元设计为检测
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电池单元，即，在每两个电池单元之间导热地如此设置气体
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检测剂，使得在两个邻接的电池单元之一中达到极限温度时导致气体
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检测剂被释放到电池系统中并且可以朝气体传感器的方向传播。同样简单且廉价地，可以在每个单独的检测电池单元的表面上导热地设置气体
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检测剂，尤其设置于在电池模块内布置在共同的平面中的电池单元的表面上。此外参照该可能性，即，设置电池单元的某个单元组、例如某个数量的电池单元、一排电池单元或整个电池模块上的导热连接，从而针对这个单元组可以只使用一个气体
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检测剂。
9.在按照本发明的电池系统的能够特别简单且廉价地实现的实施方式中，热敏物质作为气体
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检测剂与所述检测
‑
电池单元如此导热地连接，使得气体
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检测剂由于热敏物质自身的汽化被释放。由此，在这种情况下可以例如将热敏物质施加到每个电池单元的上侧上，使得该电池单元是本发明意义上的检测
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电池单元。
10.在另外的可作为对前述电池系统的备选或补充实现的电池系统中，被由热敏物质构成的包覆物包围的气体作为气体
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检测剂与所述检测
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电池单元如此导热地连接，使得在达到极限温度时，包覆物溶解并且因此气体
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检测剂被释放。由此，气体(示踪气
体)例如可以被包封在包覆物中，该包覆物例如形式为膜囊或者形式为用密封件或爆破体封闭的主体。当达到极限温度时，包覆物打开并且示踪气体被释放，该示踪气体随后可以借助于气体传感器被检测到。
11.在另外的可作为对前述电池系统的备选或补充实现的电池系统中，所述气体
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检测剂结合地(gebunden)存在于载体物质中，并且由于在达到极限温度时升高的分压的升高，气体
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检测剂被从载体物质释放。与之相关地，尤其参照将诸如硅胶之类的颗粒状结构用作载体物质的可能性，在该颗粒状结构中存储有气体
‑
检测剂。通过适当的设计，当达到极限温度时，分压升高到这样的值，该值导致气体
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检测剂从载体物质逸出并且由气体传感器检测到。
12.上述具有包覆物的变型和具有载体物质的变型的优点在于，在制造按照本发明的电池系统时，气体
‑
检测剂自身是“隐藏的”并且因此在生产中的工作人员和气体
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检测剂之间不产生接触。这尤其在将应当避免皮肤接触或者其它接触的物质用作气体
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检测剂时是有利的。
13.本发明尤其涉及一种电池系统，其中，多个电池单元互连(或者说相互联接)成电池模块，并且至少一个电池模块布置在电池壳体中。通常，多个电池模块布置在电池壳体中。这符合电池系统的设计结构、尤其符合机动车的用作驱动用蓄能器的电池系统的设计结构。由于这样的电池系统通常具有高容量并且就这点而言热事件的早期识别特别重要，因此本发明对这样的电池系统特别有用。
14.当在电池壳体中布置多个电池模块时，优选在每个电池模块中构造至少一个检测
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电池单元。特别优选地，所有电池模块的所有电池单元设计为检测
‑
电池单元。这具有的优点是，直至早期识别出电池单元中的热事件的反应时间特别短，并且因此有很多时间可用于撤离车辆。
15.在按照本发明的电池系统的另外的实际的实施方式中，所述早期识别系统还具有至少一个温度传感器，和/或所述气体传感器在功能上与机动车的控制器如此耦连，使得该控制器设计用于在气体传感器已检测到气体
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检测剂之后输出警告信号。
16.借助于温度传感器尤其可以对借助于气体传感器检测到的热事件进行可信度检验。由此例如可以检查由温度传感器确定的温度是否在预设的温度范围内，并且如果不是这种情况则抑制警告信号的输出。备选地，如果借助于温度传感器确定在一定时间后温度具有在预设的温度范围之外的值，则也可以提前中止警告信号。
17.警告信号的输出具有以下优点：基于警告信号可以及时撤离配备有按照本发明的电池系统的机动车，即，使得在其电池系统中发生热事件的机动车的乘员能够及早地离开机动车，以便避免受到潜在的火险。
18.本发明还涉及一种用于对如上所述的电池系统中的热事件进行早期识别的方法，根据该方法，在借助于气体传感器检测到气体
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检测剂之后，由控制器输出警告信号。当所述方法与设置在机动车中的电池系统相结合地实施时，该方法的实施尤其有利。就此再次参照与该方法相关的、关于电池系统已描述的优点。
19.根据这种方法的实际的实施方式，作为对所述至少一个气体传感器的补充还设置至少一个温度传感器，其中，只当用该温度传感器测量的温度超过最低温度和/或用该温度传感器检测到恒定的或升高的温度走向(temperaturverlauf)时，才进行和维持所述警告
信号的输出。就这点而言优选的是，通过气体传感器检测到的、在可预见的时间内可能发生的热事件的发生借助于至少一个温度传感器被核实，并且连续地监视发生的可能性。
附图说明
20.以下联系附图描述本发明的另外的实际的实施方式。在附图中：
21.图1示出按照本发明的电池系统的一排电池单元；
22.图2示出时间
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温度图来阐明在发生热事件的电池单元的区域中的温度走向和在温度传感器的位置处的温度走向；并且
23.图3示出具有多个电池模块的电池壳体，按照本发明的电池系统布置在这些电池模块中。
具体实施方式
24.图1示出按照本发明的电池系统10的不限制本发明的实施例，该电池系统具有十二个电池单元12。这些电池单元12是在图1中未示出的电池模块的一部分。该电池模块可以尤其与多个相同类型的或不同地构造的另外的电池模块一起布置在电池壳体中并且连接成未示出的机动车的牵引用蓄电池，这也未在图1中示出。
25.如在图1中可以看到的那样，每个电池单元12的上侧区段分别配设有用作气体
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检测剂14的热敏物质16。热敏物质16是糊状的物质或者优选为固化的物质，该物质在达到某个最低温度、例如80℃时汽化并且因此至少部分地转变为气态。因此，在本发明的意义上，每个电池单元12同时是检测
‑
电池单元18。
26.如果在电池单元12中出现很可能导致热事件的温度升高，这在图1中由符号20示出，则电池单元12中的温度由此升高，这导致与该电池单元12导热连接的热敏物质16汽化。借助于适当布置的气体传感器22检测热敏物质16的气体释放并且由此预测正在形成的热事件。借助于未示出的控制器随后可以输出相应的警告信号。
27.在图1中还示例性地示出可选的右侧的温度传感器26和可选的左侧的温度传感器24。这些温度传感器24、26可选地用于核实借助于气体传感器22检测到并且由此预测的热事件，尤其通过检验在至少一个测量点处产生升高的或者至少保持恒定的温度走向来核实。
28.图2示出发生热事件的电池单元处的实际的温度走向t
b
和右侧的温度传感器26处的温度走向t
s
，这两个温度走向分别在时间t上示出。在点28处，用符号20标记的电池单元12和与该电池单元导热地连接的热敏物质16达到的温度高于在按规定运行时在相应的电池单元12中出现的温度、在该例中为80℃。这使得热事件的发生借助于气体传感器22被检测到。由于热敏物质16和电池单元12导热地连接，因此在电池单元12中达到该温度与检测到之间的时间偏移小到可以忽略。因此，这样的时间偏移在图2中未示出。
29.在点30处，电池单元12达到导致真正的热事件的温度。
30.在点32处，温度传感器26测量到能推断出热事件发生的温度。时间偏移dt位于点28和点30之间。
31.如在图2中可以看到的那样，关于时间轴(t轴)，点32在时间上位于点30之后，即，利用温度传感器26不只会明显更迟地检测到热事件，而且在热事件形成之后才检测到。因
此，通过按照本发明的电池系统10产生明显的时间优势，并且在实施例中产生以下可能性，即借助于气体传感器22明确地在热事件形成之前检测到热事件并且由此及早地使得在机动车中采取撤离措施。因此，对于电池系统10只需要很少的或者不需要额外的封装措施来实现开头提到的5分钟的撤离时间。
32.图3示出由四个侧型材34构成的电池壳体36，在该电池壳体中布置有多个电池模块38、此处为七个电池模块38。每个电池模块38由未详细示出的多个相互连接的电池单元构成。
33.电池壳体36具有未示出的底部和未示出的盖子并且在同样未示出的机动车的运行状态下是封闭的。
34.用作气体
‑
检测剂14的热敏物质16在上侧施加在每个电池单元上。这在图3中只示例性地针对每个电池模块38的各两个电池单元示出。任意电池单元上的热敏物质16的气体释放只借助于一个气体传感器22检测，该气体传感器也布置在电池壳体36中。
35.本发明的在本说明书、附图和权利要求书中公开的特征既可以单独地也可以在任意组合中对在其不同的实施方式中实现本发明是重要的。可以在权利要求书的范围内并且在考虑了本领域技术人员的知识的情况下改变本发明。
36.附图标记列表
37.10
ꢀꢀꢀ
电池系统
38.12
ꢀꢀꢀ
电池单元
39.14
ꢀꢀꢀ
气体
‑
检测剂
40.16
ꢀꢀꢀ
热敏物质
41.18
ꢀꢀꢀ
检测
‑
电池单元
42.20
ꢀꢀꢀ
符号
43.22
ꢀꢀꢀ
气体传感器
44.24
ꢀꢀꢀ
左侧的温度传感器
45.26
ꢀꢀꢀ
右侧的温度传感器
46.28
ꢀꢀꢀ
点
47.30
ꢀꢀꢀ
点
48.32
ꢀꢀꢀ
点
49.34
ꢀꢀꢀ
侧型材
50.36
ꢀꢀꢀ
电池壳体
51.38
ꢀꢀꢀ
电池模块
52.t
b
ꢀꢀꢀ
电池单元处的温度走向
53.t
s
ꢀꢀꢀ
右侧的温度传感器处的温度走向
54.dt
ꢀꢀꢀ
时间偏移