CN102484294A - 用于向电池施加压力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在电池上施加压力的方法和装置，所述电池具有至少一个或多个电芯，所述方法和装置用于减少由于不同的电池充电状态而出现的对功能的影响，其中为了执行所述方法，所述装置被设计为根据相应的电池体积和/或根据相应的电池充电状态对所述压力进行调节。

Description

用于向电池施加压力的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于向电池施加压力的方法和装置，所述电池包括至少一个或多个电芯，用于减小由于不同的电池充电状态而出现的对功能的影响。

背景技术

用于储存电能的电池，特别是锂离子电池，在充电时膨胀，在放电时收缩。这些体积或长度变化取决于锂离子进出电极的活性材料中的过程。由于锂进到碳材料中，材料膨胀。这种体积增大在电芯具有相应的变形性的情况下经由电池电芯套筒被进一步向外传递，并因此导致电池的至少一个几何尺寸的变化；特别是在电池包括多个电芯的情况下。

在电池被实施为具有基本上为刚性的壳体的情况下，碳材料的膨胀导致在各个电池电芯中的压应力形成。这可能导致由于电极材料的膨胀和收缩，使设置在电芯中的各个层(金属层、阴极材料、隔板、阳极材料，以及在必要时的箔)受到机械负载。其结果是电池中的电阻升高，以及有效功率因此减小。

为了避免所描述的机械负载，已知如在图1中所示地施加恒定的挤压力。在图1中示出了具有多个电芯11的电池10，其中电芯11以组群或堆叠的方式设置。通过设置在电芯组上方和下方的凸缘12，能够向电芯11中传入恒定的压力16。由此在电芯之间产生控制的反作用力17。该恒定的挤压力应避免电极材料上的各个层的不希望的脱离。这种恒定的挤压力特别被用在混合动力车辆的电池电芯中。这些电芯大多以平均30％至70％，通常是50％的充电状态(Stateof Charge，SOC)来工作。被设置用于电动车辆的锂离子电池以0至100％的充电状态进行工作。用于电动车辆的电池也可以被构造为与混合动力车辆的电池类似。

因为在较大的充电状态下体积增加，以及在较小的充电状态下体积减小，所以用于电动车辆的电池的电芯在局部出现显著的体积膨胀和体积收缩。这是由于通过在车辆加速时的放电和在制动的回收工作时的充电引起的持续交替的负载而产生的。

然而，由于在恒定的压力下对电池电芯的猛烈压缩(而不改变原电芯堆的长度)，特别是在电芯内部的活性材料出现强烈的体积增大和体积减小时可能导致隔板被过强地压缩，由此同样地使电池电芯的内电阻升高。此外，阳极材料以及可能阴极材料出现弹性或塑性的变形，由此同样地导致内电阻的升高。

电池或电池电芯的其他机械负载可能例如由于电芯内部的温度升高和由此造成的所含电解液的蒸发产生，其中蒸汽又导致电芯内部进一步的压力升高。此外，特别地在温度升高的情况下可能在电池或电芯中出现化学反应，由该化学反应产生气体，该气体又导致电池电芯内部的附加的压力升高。

这种负载越高，电池工作中的充电状态波动越大。

因此，在通常的电池和特别地锂离子电池中一方面很难避免能够导致电池电芯内的层损坏的机械负载，另一方面为此需考虑在电池或电池电芯的工作寿命期间使其内电阻不升高。

由WO2006/112639A1已知，设有用于获知电池内压的压电-传感器。通过获知超过了确定的预设内压值，可以采取合适的对应措施。然而未公开何种对应措施是合适的。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种方法和一种装置，借助于其能够以简单的方式阻止电池过早的磨损或老化过程以及确保足够小的内电阻值。

本发明的目的通过依据权利要求1的方法以及依据权利要求7的装置实现。

在权利要求2至6中给出了方法的有利的设计方案，在权利要求8和9中给出了依据本发明的装置的有利的设计方案。

此外，作为补充，依据本发明，根据权利要求10提出一种具有依据本发明的装置的机动车辆。

为了实现该目的，提出一种用于在电池上施加压力的方法，其中所述电池具有至少一个或多个电芯，所述方法用于减少由于不同的电池充电状态而出现的对功能的影响。依据本发明，能够根据相应的电池体积和/或根据相应的电池充电状态对所述压力进行调节。也就是说，在单个电芯上，或者在在电池中有多个电芯的布置方式中，在电芯组上施加压力。因此，在仅具有一个电芯的电池中，电池体积同时大致就是电芯体积，以及电池充电状态大致就是电芯充电状态。在此，充电状态表示在电池中存储的电荷的相应的值。在电荷高时，电芯或者说电池具有大体积，而在电荷低时具有小体积。根据相应的电荷值和/或相应的体积对作用到电池上的压力进行调节。也就是说，用于调节压力的初始量是体积或用于表征体积的变量，例如电池的长度和/或电荷值。通过这种根据电池的体积和/或电荷对压力进行可变调节的措施能够显著提高电池的循环使用寿命。

在此特别地规定，在电池体积变大时压力减小，以及在电池体积变小时压力增大。

替代地或补充地规定，在电池的充电状态增大时压力减小，以及在电池的充电状态减小时压力增大。这意味着，例如在充电状态和体积方面，对于具有50％电荷的电池来说，当电荷增加到60％时以及相应地体积增大时，压力减小；以及当电荷为例如30％且体积与此相关地减小时，压力相应地增大。此外可见，不能够使用简单的压力弹簧用以将外部的压力施加到电池或电芯上，因为所述弹簧在体积增大和与此相关的长度增加时会被压缩，并导致作用在电池上的压力更高。然而，依据本发明精确地设置配对件，即在体积增大时施加更小的压力。在此优选地，从50％的电荷开始，当电荷每升高10％时，压力就根据充电状态相应地提高5％-50％。

该方法在此被设计为，在每个电池具有多个电芯的情况下，压力从外部指向到电芯组和/或压力在电芯之间产生。有利的是，在每个电池具有多个电芯的情况下，压力从外部被施加到所有电芯上，其中通过电芯的相互贴靠，压力从一个电芯被传递到各个相邻的电芯上。当然，也可以替代地或补充地规定，在电芯之间设置致动器，该致动器对电芯施加压力，从而将电芯相互压开并且使电芯组的外侧电芯贴靠到边界元件上，使得压力从电芯组的内部开始升高，并且边界元件的反作用力也传入到外侧的电芯中。

可以在此规定，借助于至少一个气动或液压或机械操作的压力产生装置在电芯上或电芯组上施加压力。该机械式设计方案在此应优选地为以机电的方式，例如通过电动机和转轴实现，所述转轴在必要时与压力弹簧串联。此外，还可以使用机械液压式的压力产生装置，该装置例如具有活塞-缸体单元和泵。此外，还可以使用机械-气动式压力产生装置，该装置例如具有压缩机和储气罐。所述的气动、液压或机械操作的压力产生装置在此有利地与控制单元连接，所述控制单元根据电池充电状态和/或电池体积对相应所需的压力值的设定进行控制或调节。

在特别的设计方案中规定，压力借助于至少一个基于压电效应的压力产生装置产生。在此，压电-压力产生装置可以被设置在定位在电芯组中的电芯的外壁上，并因此本身被设置在电芯组中，或者该压电-压力产生装置仅设置在电芯组的一个或两个外侧电芯上，并由此从外部将压力施加到电芯组上。

在应用压电-压力产生装置的情况下，当该压电-压力产生装置另外被用于获知电池的充电状态时，依据本发明的方法能被特别有利地实施。也就是说，在电池的长度、宽度或高度中至少一个由于不同的充电状态而发生改变时，在压电元件中由于其变形产生电压，通过该电压值可以导出作用在压电元件上的电池的变形量。

因此，在电池体积变化以及由此伴随的电池尺寸变化的情况下，造成固定在电池附近的压电元件的形状变化，并由此能够对电池和包含在电池中的一个或多个电芯的体积改变进行检测或测量。反过来，通过施加足够的电压又可以实现压电-压力产生装置的形状的改变，以及因此改变由压电-压力产生装置施加到电池上的压力。

压电-压力产生装置和压电元件可以是相同的部件。

此外，依据本发明提出一种用于在电池上施加压力的装置，所述电池包括至少一个或多个电芯，所述装置用于减少由于不同的电池充电状态而出现的对功能的影响。依据本发明，所述装置被设计为能够通过该装置根据相应的电池体积和/或根据相应的电池充电状态将压力施加到电池上或者通过该装置根据相应的电池体积和/或根据相应的电池充电状态将压力施加到电池上。因此，这个装置特别地适用于实施依据本发明的方法。在电池被实施为仅具有一个电芯的设计方案中，通过该装置仅将压力施加到这一个电芯上。当电池具有多个电芯时，将压力施加到至少一个，然而优选的是电池的电芯组的全部电芯上。在此，该装置可以包括控制单元和/或调节单元，借助于所述控制单元和/或调节单元可以根据所获知的电池体积和/或电池充电状态产生用于调整相应的压力的信号。

在此，依据本发明的装置被有利地设计为，通过其在电池上的作用，在电池体积变大时压力减小或者能够减小，以及在电池体积变小时压力增大或者能够增大，和/或在电池的充电状态增大时压力减小或者能够减小，以及在电池的充电状态减小时压力增大或者能够增大。为此，所述依据本发明的装置有利地包括至少一个气动或液压或机械作用的压力产生装置。有利地，这个压力产生装置被设计用于机电式或机械-液压式或机械-气动式操作，如在对方法的说明中所述。

在一种特别的设计方案中，所述装置至少包括至少一个基于压电效应的压力产生装置，借助于该装置通过改变施加在压电压力产生装置上的电压产生或能够产生作用在电池上的压力。这个压电-压力产生装置还可以被用于基于与此相关的电池的体积改变和与此相伴随的压电元件的形状改变获知电池的充电状态。在这种设计方案中，该装置应包括计算机单元，通过该计算机单元可以将由压电-压力产生装置产生的信号换算为有关电池充电状态的信息。

该装置还可以具有测量装置和/或检测装置，借助于所述测量和/或检测装置例如可以对由于相邻接的冷却装置所造成的机械负载、在电池内部的温度、电池内压和/或电池中气体的成分进行检测、测量和分析。由相邻接的冷却装置引起的机械负载在此可通过待调节的压力计算。对温度的测量特别地被用于以计算的方式获知在电池内部由在此处的电解液造成的蒸汽形成，因为在电池中产生的蒸汽对电池的内压产生影响。对在可能的情况下由于化学反应产生的气体的分析，同样地被用于确定电池内压。为此，装置应包括计算机单元，所述计算机单元适用于将所测量的和/或所分析的值换算为与所支配的内压情况有关的值，并且将其传输到控制单元，所述控制单元将理论的计算压力值与基于体积变化和/或充电状态改变而待调节的压力值进行计算。

本发明此外还补充地提出一种机动车辆，特别是汽车，其包括至少一个电池，特别是锂离子电池，此外还包括依据本发明作用于电池的依据本发明的装置，用来施加压力。这种机动车辆可以特别的是混合动力车辆或电动车辆，如例如电动自行车。此外，依据本发明的方法和依据本发明的装置还可以应用于具有高电荷电位和在充电循环方面具有高要求的固定电池，例如用于电动工具的电池。

附图说明

下面参照附图对本发明进行详细阐述。附图中，

图1示出了具有多个电芯的电池，所述电池具有依据现有技术的传统的、恒定压力负载，

图2示出了单个的电池电芯，

图3示出了用于展示与充电状态有关的体积或长度变化的图表，

图4示出了电池的膨胀情况，

图5示出了具有多个电芯以及设置在一侧的压电-压力产生装置的电池，

图6示出了具有多个电芯以及设置它们之间的压电-压力产生装置的电池。

具体实施方式

在背景技术中已对图1进行过阐述。

图2示出了单个电池电芯11，该电芯单独地或者与其他电芯相组合地构成电池的蓄能器。在施加压力16时，在施加在凸缘12或其他电芯11上的情况下，在电芯11上产生反作用力17。这意味着，在将压力16导入到电芯上时，该电芯将传入到电芯中的压力转移到邻近电芯上，并且该电芯在另一侧受到所述邻近电芯的反压力。

在图3中示出了电池的体积变化或长度变化与充电状态(SOC)之间的关系。横坐标表示充电状态SOC，纵坐标表示体积变化ΔV或长度变化ΔL。可见，在充电状态SOC增大时，体积变大。在基本上保持电池的宽度尺寸和高度尺寸时，电池的长度变大。

在图4中可见，在电池的充电状态改变时如何调节相对的长度变化ΔL。在左侧示出的电池具有比在右侧示出的电池10更小的充电状态。可见至少在保持宽度尺寸和高度尺寸的情况下，电池10出现相对的长度变化ΔL，即使该电池于在两侧贴靠在由电芯11构成的电芯组上的凸缘12上受到指向相反方向的压力16。由于相对的长度改变ΔL，可能在引入如已描述的现有技术中一样的恒定力的不利的情况下引起对各个层，例如在电芯11和贴靠在其上的冷却板14之间的机械负载。因此，根据本发明，如在图4中根据不同长度的压力箭头16所示的一样，在图4右侧所示的体积增大的电池10中减小压力16。

在图5中示出了电池电芯11的堆被容纳在两个凸缘12和设置在侧面的侧壁13之间的情况。该电池由电芯11和在其之间设置的冷却板14构成。凸缘12和侧壁13是依据本发明的装置的一部分，借助于其可以实现压力从外部作用到电池上，并可以对该压力进行调节。

这意味着，在这种结构设计方案中，电池或者说电芯堆可以不再出现明显的体积变化或长度变化。在电芯堆的一侧设有压电-压力产生装置15。根据所确定的电池或单个电芯11的充电状态值在压电-压力产生装置15上分别施加不同的电压，由此在电芯11的堆上施加这些强度不同的压力。在需要时，例如借助于杆件或其他传动元件在压电-压力产生装置15和电芯堆之间设置力变换装置用于转换力。

本发明的优点特别在于，借助于依据本发明的方法和依据本发明的装置，能够明显提高电池，特别是锂离子电池的使用寿命。通过压电-元件功能的配合，同时，可以对指向电池的外部压力或内部压力施加影响，并且同步地或者在最短的时间内确定与由电池引起的各个压电-元件的变形有关的老化和/或充电状态。

在图6中，电芯11堆同样被两个凸缘12和侧壁13包围，然而它们的尺寸被确定为电芯11堆能够在凸缘12之间膨胀。在这种设计方案中，在设置于多个电芯11之间的冷却板14两侧都设有压电-压力产生装置15。当在压电-压力产生装置15上施加足够的电压时，其可以引起电芯11的移动。因此，通过电芯堆的外侧电芯11贴靠在压紧元件18上，能够产生作用在各个电芯11上的压力。在此，本发明并不限于依据图5和图6的结构设计方案，而是可以规定，压电-压力产生装置15既可以设置在电芯堆的外侧的电芯11上，也可以设置在这些电芯11之间。压电-压力产生装置15必要时被设计为，在由于体积变大而在外侧的电芯11上出现变大的压力时，压电-压力产生装置15的长度能够缩短，从而减小电芯11之间的间距，并因此减小作用在电芯11上的总压力负载。这个设计方案同样地可以在于图5中所示出的实施方式中实现。

有利地，压电-元件或者说压电-压力产生装置应作用在已略微预加载的电池上。优选的预紧力在0.04-0.4N/mm²之间。

Claims (10)

1.一种用于在电池上施加压力的方法，所述电池具有至少一个或多个电芯，所述方法用于减少由于不同的电池充电状态而出现的对功能的影响，其特征在于，根据相应的电池体积和/或根据相应的电池充电状态对所述压力进行调节。

2.按照权利要求1所述的用于施加压力的方法，其特征在于，在电池体积变大时减小所述压力，以及在电池体积变小时增大所述压力。

3.按照权利要求1或2所述的用于施加压力的方法，其特征在于，在电池的充电状态增大时减小所述压力，以及在电池的充电状态减小时增大所述压力。

4.按照前述权利要求中至少一项所述的用于施加压力的方法，其特征在于，在每个电池具有多个电芯的情况下，所述压力从外部指向电芯堆和/或压力在电芯之间产生。

5.按照前述权利要求中至少一项所述的用于施加压力的方法，其特征在于，所述压力借助于至少一个基于压电效应的压力产生装置产生。

6.按照权利要求5所述的用于施加压力的方法，其特征在于，还使用压电式压力产生装置以获知电池的充电状态。

7.一种用于在电池上施加压力的装置，所述电池包括至少一个或多个电芯，所述装置用于减少由于不同的电池充电状态而出现的对功能的影响，其特征在于，所述装置根据相应的电池体积和/或根据相应的电池充电状态施加或者能够施加所述压力。

8.按照权利要求7所述的用于施加压力的装置，其特征在于，所述装置通过作用于电池，在电池体积变大时所述压力减小或者能够减小，在电池体积变小时所述压力增大或者能够增大，和/或在电池的充电状态增大时所述压力减小或者能够减小，在电池的充电状态减小时所述压力增大或者能够增大。

9.按照权利要求7或8中至少一项所述的用于施加压力的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个基于压电效应的压力产生装置，借助于该压力产生装置通过改变在压电压力产生装置上施加的电压，产生或者能够产生作用在电池上的压力。

10.一种机动车辆，特别是汽车，包括至少一个电池，特别是锂离子电池，以及根据权利要求7至9中至少一项所述的用于在电池上施加压力的装置。

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