CN103460471A - 用于对电化学储能器进行密封性检验的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对电化学储能器进行密封性检验的一种装置和一种方法，所述电化学储能器被设计为电池单体（2）或被设计为具有多个彼此并联和/或串联的电池单体（2）的电池（1），其中设置有至少一个检测单元（4），借助所述检测单元能够检测壳体中的气体浓度。根据本发明，所述壳体被设计为电池壳体（3）并且是可封闭的，其中检测单元（4）是金属氧化物传感器，所述金属氧化物传感器与评估单元（5）连接并且能根据所检测的气体浓度借助所述评估单元（5）自动产生用于断开所述电化学储能器的控制信号和/或产生用于触发粘合剂释放单元（6）的控制信号。

Description

用于对电化学储能器进行密封性检验的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于对电化学储能器进行密封性检验的一种装置和一种方法，所述电化学储能器被设计为电池单体或被设计为具有多个彼此并联和/或串联的电池单体的电池，其中设置有至少一个检测单元，借助该检测单元能够检测壳体中的气体浓度。
背景技术
由US2007/0229294A1已知一种用于对电池中的泄露进行探测的系统以及一种用于检测电池泄露的方法。所述系统具有气体传感器，该气体传感器具有气体敏感的纳米微粒结构，该纳米微粒结构具有与双功能或多功能有机分子结合的金属纳米微粒。所述气体敏感的纳米微粒结构是与半导体性的聚合物结构和/或聚合物/炭黑化合结构相结合的金属纳米微粒/有机化合结构。该结构相对于挥发性的化学材料具有非常高的敏感性。所述气体传感器是一种基于气体的电导率、电容、电感、介电常数、极化、阻抗、热容量或温度的分析物所诱导的变化进行工作的传感器。所述方法规定，所述气体敏感的气体传感器被布置在电池附近并且检测气体传感器中电导率、电容、电感、介电常数、极化、阻抗、热容量或温度的分析物所诱导的变化，所述变化指明了有故障的电池。如果在传感器中检测到电导率、电容、电感、介电常数、极化、阻抗、热容量或温度的分析物所诱导的变化，则会触发视觉的、听觉的信号和/或数据信号的输出。在进一步的方法步骤中，所查明的有故障的电池会被自动挑出。
发明内容
本发明的目的在于，提出相比于现有技术优化的用于对电化学储能器进行密封性检验的一种装置和一种方法，所述储能器被设计为电池单体或被设计为具有多个彼此并联和/或串联的电池单体的电池。
根据本发明，关于所述装置的目的通过权利要求1中所给出的特征实现，而关于所述方法的目的通过权利要求7中所给出的特征实现。
在用于对电化学储能器进行密封性检验的装置中，所述储能器被设计为电池单体或被设计为具有多个彼此并联和/或串联的电池单体的电池，在所述装置中设置有至少一个检测单元，借助该检测单元能够检测壳体中的气体浓度。根据本发明，所述壳体被设计为电池壳体并且是可封闭的，其中所述检测单元是金属氧化物传感器，该金属氧化物传感器与评估单元连接，其中能根据所检测的气体浓度借助所述评估单元自动产生例如用于断开该电化学储能器和/或用于触发粘合剂释放单元的控制信号。
借助根据本发明的装置，无论在运行时还是在不运行时都同样地以尤其有利的方式提高在使用电化学储能器时的人身安全性。为了能够确保电池的运行而规定，能借助该至少一个检测单元对所述电化学储能器的密封性进行连续监测。
所述电化学储能器优选是指一种用于电动车辆、混合动力车辆或借助燃料电池运行的车辆的高压电池，其中电池单体尤其是锂离子电池。
该至少一个金属氧化物传感器所检测的信号能够传输给所述评估单元，从而能够查明易燃的以及甚至易爆的气体组分，并且根据该气体组分借助所述评估单元在人身安全性方面至少自动地引入一种措施。
作为气体浓度的检测单元的金属氧化物传感器优选包括具有铂微观结构的陶瓷芯片以及例如三个气体敏感的金属氧化物层，所述金属氧化物层用于可还原的以及易氧化和难氧化的气体，其中所述组成部分可以至少部分地布置在传感器壳体中。
所述金属氧化物传感器的工作原理基于气体敏感的金属氧化物层在与可氧化或可还原气体接触时电导率的变化。在此，所述金属氧化物传感器的测量范围取决于气体种类，其中可以检测百万中一些部分的——也表示为百万分之——气体浓度来作为相对数据。
如果在电池壳体中存在能借助至少一个检测单元探测到的气体浓度，则可以回推出：电池中的至少一个电池单体是未密封的，出现了电解质和/或电解质的易挥发的溶剂组分，并且由此至少在电池的邻接区域内对人产生了危害。
此外，被设计为金属氧化物传感器的检测单元可以例如在电池壳体内电子器件和/或线缆失火的情况下探测到燃烧气体，并且将检测到的信号传输给所述评估单元。在这样的情况下，可以借助所述评估单元的控制信号来断开该电池。
在一个尤其优选的实施方案中，粘合剂释放单元被布置在电池壳体自身中，由此电池壳体内的粘合剂能够释放并且使由未密封的电池单体中溢出的电解质在电池壳体内部结合/粘合。由此可以在很大程度上排除，电解质从电池壳体中溢出并且由此排除可能对人产生的危害。
所述粘合剂释放单元具有带可封闭开口的容器，其中所述评估单元有利地与释放机构连接，所述开口借助该释放机构被封闭。通过所述评估单元与所述释放机构之间的连接，可以在没有手动干预的情况下自动触发所述粘合剂释放单元。所述粘合剂得以释放并且散布在电池壳体中。例如，所述粘合剂是用于有机液态物质的液态吸附剂。
在一个有利的实施方案中，设置有用于输出视觉的、听觉的和/或触觉的报警信号的输出单元，从而使得例如车辆的驾驶员获得关于电化学储能器所产生的危险的提示。未密封的电池单体尽管在泄露情况下仍具有完备的功能，以至于始终未发觉故障。
优选地也能在电池壳体中布置多个检测单元，因此在布置有多个电化学储能器的情况下，每个储能器分别配设有一检测单元。检测到的信号可传输到评估单元中，因此借助检测到的气体浓度能够有利地查明，在电池壳体内部未密封的电化学储能器或未密封的电池单体位于何处。
在另一个有利的实施方案中，检测单元在电池壳体的内部空间中被布置在电池单体之上和/或之中，用以检测气体浓度。当所述检测单元被布置在电池单体中时，可以检测其内部的气体浓度，从而能够查明该电池单体的质量状态并且还能够查明其老化状态。在此，借助布置在电池单体中的检测单元可以检测电解质的分解物质，其中由此可以查明该电池单体的质量状态以及老化状态。
在由用过的电池单体组成电池的情况下，对于电化学储能器的质量状态和/或老化状态的认知是尤其有益的。此外，在更换、维修、材料应用和/或清除电化学储能器时，所查明的质量状态和/或老化状态是重要的特性参数。
此外，用于对电化学储能器进行密封性检验的装置例如还可以应用于电化学储能器的生产。
还可以想到的是，在电池壳体中至少短时间地并且例如以有规律的间隔技术性地产生相对于电池壳体的外部环境的负压。由此，只要电化学储能器是未密封的，则可以加速电解质组分的气化。
用于对电化学储能器进行密封性检验的方法规定，借助至少一个检测单元检测壳体中的气体浓度，所述电化学储能器被设计为电池单体或被设计为具有多个彼此并联和/或串联的电池单体的电池。根据本发明，所述壳体被设计为电池壳体并且被封闭，其中在电池壳体中借助作为检测单元的金属氧化物传感器来检测气体浓度并且将所检测的信号传输给评估单元，并且根据所检测的气体浓度产生用于断开电化学储能器的控制信号和/或产生用于触发粘合剂释放单元的控制信号和/或产生用于向驾驶员报警的控制信号。
如果所述电化学储能器被布置在车辆中，则将以尤其有利的方式连续地——也就是说既在车辆的运行状态下也在车辆的停车状态下——检测气体浓度。
在一个有利的实施方案中，借助检测单元来检测电解质的易挥发的溶剂组分，其中，如果电化学储能器被设计为锂离子单体或锂离子电池，则易挥发的溶剂组分是指有机的碳酸盐。通过检测易挥发的溶剂组分，可以检测壳体中的易燃的以及甚至易爆的气体组分。
如果检测到这样的气体组分则规定，借助所述评估单元能够产生和输出至少一个报警信号。由于能够检测易燃的以及甚至易爆的气体组分，以及由于可以从中产生和输出报警信号，因此避免了对于处于电化学储能器的邻近环境中的人的健康危害。
在布置有多个电化学储能器的情况下，以尤其有利的方式为每个储能器分别配设有金属氧化物传感器形式的检测单元，从而可以借助评估单元来查明，在检测了气体浓度的情况下在哪里存在着未密封的电化学储能器。在此，所述装置显著地简化了对未密封的电池单体的查找。由于作为检测单元的金属氧化物传感器具有相对较小的尺寸和相对低的购置成本，所以可以将多个用于对电化学储能器进行密封性检验的检测单元布置在电池壳体中。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明。
图中示出：
图1示意性地示出了根据本发明的用于对电池进行密封性检验的装置的截面图；
图2示意性地示出了用于进行密封性检验的装置的另选的实施方式；
图3示意性地示出了彼此电路连接的电池单体，所述电池单体分别具有布置在单体盖上的检测单元；
图4示意性地示出了电池单体的经放大的局部的示图，所述电池单体具有布置在单体盖中的开口中的检测单元；以及
图5示意性地示出了电池单体的底部区域的经放大的局部的示图，所述电池单体具有打开的破裂开口。
彼此对应的部分在所有附图中均设置相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的用于对电化学储能器进行密封性检验的装置的截面图，所述电化学储能器被设计为电池1或电池单体2。
电池1指用于电动车辆、混合动力车辆或借助燃料电池运行的车辆的高压电池。
所述装置包括被设计为电池壳体3的壳体、多个作为检测单元4的金属氧化物传感器、评估单元5以及粘合剂释放单元6。
电池壳体3被设计为箱形并且能够封闭，其中电池壳体3在封闭状态下设计为基本密封的。
在电池壳体3中布置有预设数量的电池单体2、7作为电化学储能器，所述电池单体彼此并联和/或串联。在此，未密封的电池单体7处于电池单体2之下。
电池单体2、7分别具有单体壳体2.1，在该壳体中布置有由阳极层、阴极层和处于它们之间的分隔层所组成的未详细示出的电极布局。
在单体盖2.2——作为单体壳体2.1的上方封闭件——中引入了至少两个开口，在所述开口中分别布置有电池单体2、7的电极8。
电极8中的一个与阳极层连接，而另一个电极8与单体壳体2.1内的电极线圈的阴极层连接。
在电池壳体3的内上侧上布置有多个被设计为金属氧化物传感器的检测单元4，该检测单元与电池监测单元的评估单元5连接。在此，检测单元4优选被直接布置在电池单体2的上方，其中检测单元4的探测面定向成朝向电池单体2的方向。
被设计为金属氧化物传感器的检测单元4包括未详细描绘的传感器壳体，在该传感器壳体中布置有带铂微观结构的陶瓷芯片以及优选地布置有三个气体敏感的金属氧化物层，所述金属氧化物层用于检测可还原的以及易氧化和难氧化的气体。
此外，用于对电池单体2、7的密封性进行检验的装置包括粘合剂释放单元6，该粘合剂释放单元同样被布置在电池壳体3内。
粘合剂释放单元6包括容器6.1，粘合剂9被储存在所述容器中，该粘合剂的形式是例如是用于有机液态物质的液态吸附剂。
替代于使用容器6.1，也可以设置盒子或其它装置用以储存粘合剂9。
容器6.1具有能够借助释放机构6.2封闭的开口，其中在所述开口上布置有阀6.3。阀6.3借助释放机构6.2打开，该释放机构能够烟火地、电气地和/或电磁地触发。由此情况下，粘合剂9得以释放并且由容器6.1流到电池壳体3中。在电气触发的情况下可以规定，理论破裂点例如在容器6.1或在管路部段上熔断，并且由此开启用于释放粘合剂9的开口。
还可以附加于或替代于阀6.3地在容器6.1上布置喷嘴、所谓的阀调节器或其它可封闭的装置。
容器6.1和释放机构6.2优选与电池监测单元的评估单元5连接。
在电池1的运行以及非运行状态下，借助被设计为金属氧化物传感器的检测单元4来检测电池壳体3内的气体浓度。
未密封的电池单体7存在泄漏，电池单体7的电解质10的易挥发的溶剂组分通过该泄漏气化。此外，通过电池单体2中存在的不允许的内部压力——例如由内部短路所导致——可以打开借助封闭元件11封闭的破裂开口2.3，如图5中详细描绘的一样。通过打开破裂开口2.3，所述压力可以受控制地从单体壳体2.1中漏出，而不会使单体壳体2.1破裂。如果破裂开口2.3不再被封闭，则电解质10可以从单体壳体2.1中溢出并且对处于电池1周围的人产生危害。在电解质10溢出的情况下，所述易挥发的溶剂组分会气化，其中所述溶剂组分由检测单元4所检测。
如果电解质10的易挥发的溶剂组分与布置在电池壳体3的上侧上的、金属氧化物传感器形式的检测单元4接触，则气体敏感的金属氧化物层的电导率发生变化，从而可以检测气体浓度。也就是说，每个检测单元4都在其探测面的区域中检测气体浓度。
每个检测单元4所检测的信号都被传输给评估单元5并且与所储存的关于气体浓度的阈值S1至S3进行比较。
如果检测到的气体浓度超出了所储存的第一阈值S1，则借助与评估单元5耦合的、未示出的输出单元产生第一控制信号，借助该第一控制信号能触发视觉的、听觉的和/或触觉的报警信号的输出。
如果电池壳体3以及由此用于对电池单体2进行密封性检验的装置被布置在车辆中，则所述视觉的报警信号优选借助至少一个布置在仪表板中的可控制的发光装置进行输出。
所述听觉的报警信号优选借助布置在车辆中的扬声器进行输出，其中例如可以震动车辆的方向盘或座椅作为触觉的报警信号。
借助报警信号的输出，驾驶员可以获知电池1的故障。
如果检测单元4中的一个所检测到的气体浓度超出了评估单元5中所储存的第二阈值S2，则借助评估单元5产生第二控制信号，该二控制信号被传输给电池监测单元。借助所述第二控制信号，电池1借助电池监测单元自动断开，从而在很大程度上排除对车辆中以及车辆附近环境中的人的危害。电池1的电气运行可以借助继电器的自动打开而中断。
车辆的驾驶员优选在预先设定的持续时间内在断开电池1之前例如借助其它的听觉的和/或视觉的和/或触觉的报警信号来获得关于即将发生的断开过程的通知。由此，车辆可以在适合的位置——例如在路肩——上停车，而不会妨碍或甚至危害其它交通参与者。
如果接着由适合的人来检验电池1，则可以借助布置在电池监测单元上的诊断接口或借助对接系统来对评估单元5进行读取。由于每个检测单元4单独检测到的气体浓度被储存在评估单元5中并且可以进行读取，所以可以根据所检测的气体浓度来查明，电池壳体3内未密封的电池单体7处于何处。也就是说，如果检测单元4中的一个检测到的气体浓度比其它检测到的气体浓度具有更高的值，则未密封的电池单体7处于该检测单元4的探测区域中的可能性相对高。可以用未受损的电池单体2来更换未密封的电池单体7，并且电池1可重新进入运行状态中。
如果借助检测单元4中的一个检测到超出所储存的第三阈值S3的气体浓度，则产生第三控制信号并将该第三控制信号传输给粘合剂释放单元6的释放机构6.2。借助所述第三控制信号，粘合剂释放单元6得以自动触发。阀6.3借助释放机构6.2打开，从而释放粘合剂9，该粘合剂在电池壳体3中散布并且结合溢出的电解质10。
此外可以规定，借助一定数量的、布置在电池壳体3中的检测单元4还可以对燃烧气体进行探测，所述燃烧气体例如在线缆失火和/或电子器件失火的情况下产生。例如将一氧化碳、二氧化碳和/或氢气作为燃烧气体进行检测。如果探测到这样的燃烧气体，则优选产生其它的控制信号，并且例如通过断开电气运行将电池1置于安全的状态下。
此外，借助所述装置可以检测电池壳体3中的易燃和易爆的气体组分。如果检测到这样的气体组分，则借助所述输出单元输出至少一个报警信号并且优选断开电池1。
图2中描绘了用于对电池1的电池单体2进行密封性检验的装置的一个另选的实施方式。
在此，所述装置包括布置在电池壳体3中的检测单元4，借助该检测单元来检测气体浓度。检测单元4与评估单元5连接，该评估单元评估所检测的信号并且在超出至少一个所储存的阈值S1、S2的情况下借助所产生的控制信号引入相应的措施。按图2的装置不包括粘合剂释放单元6，从而在相应地检测到气体浓度的情况下尤其优选地使电池1自动断开。
图3示出了6个彼此串联的电池单体2的俯视图，其中各负极性的电极8与另一电池单体2的正极性的电极8连接。
在两个在边缘侧上并排布置的电池单体2上分别布置有极性的串联端子12，其用于截取所产生的电压，其中在串联端子12上布置有用电器/负载13并且由此为该用电器供给电能。
在各电池单体2的单体盖2.2上分别布置有金属氧化物传感器形式的检测单元4。电池单体2的检测单元4优选通过数据总线与评估单元5连接。在此，附加于或替代于布置在电池壳体3的上侧上的检测单元4，可以将检测单元4设置在单体盖2.2上。
图4示出了电池单体2的单体头部的经放大的局部图，所述电池单体具有检测单元4。
在单体盖2.2中引入有开口，检测单元4以金属氧化物传感器的形式布置在该开口中。在此，检测单元4的探测面处于单体壳体2.1内，其中所述探测面插入到用于平衡过压的自由空间14中。
电池单体2中的过压例如由于在单体壳体2.1中在电池单体2的充放电过程中产生的热而产生。此外，可以在单体盖2.2上布置过压阀，该过压阀从流体技术角度讲既与自由空间14连接又与电池单体2的周围环境连接。如果自由空间14不足以平衡单体壳体2.1中存在的过压，也就是说过压的升高对于单体壳体2.1而言是不允许的，则所述过压阀打开，从而消除所述过压。
此外，间隔元件15位于电池单体2的单体头部中，所述间隔元件例如在单体壳体2.1发生变形的情况下防止了电极线圈与单体盖2.2的接触。如果单体盖2.2与电极线圈形成接触，则可能在单体壳体2.1内发生短路。此外，间隔元件15起到这样的作用，即预先规定了电极线圈与单体盖2.2之间的自由空间14的容积。
如果借助自由空间14以及借助所述过压阀不能消除单体壳体2.1中存在的过压，则存在电池单体2破裂的危险，也就是说存在单体壳体2.1突然失效的危险。在此，单体壳体2.1例如由于存在的过压而断裂。
为了避免单体壳体2.1发生不受控制的破裂，设置了破裂开口2.3。破裂开口2.3借助封闭元件11——例如薄膜——封闭，其中封闭元件11被这样设计，即该封闭元件在单体壳体2.1中出现特定的压力时打开，从而消除过压，如图5中详细描绘的一样。
检测单元4与控制单元16连接，所检测的信号能传输给该控制单元。
检测单元4的探测面插入到自由空间14中，从而检测处于自由空间14中的气体浓度。在此，氮氧化物、一氧化氮、一氧化碳和/或二氧化碳作为电解质分解物质由检测单元4所检测。检测到的信号被传输给控制单元16并且进行评估。在控制单元16中例如储存有阈值，所述阈值被与所检测的气体浓度中的气体的相应含量进行对比。借助该对比查明了电池单体2的质量状态。附加地或替代地，借助所检测的气体浓度还可以查明电池单体2的老化状态。
例如在更换、材料应用/回收以及清除电池单体2时，对于电池单体2的质量状态和/或老化状态的认知是重要的因素。
图5示出了电池单体2的底部区域，所述电池单体具有打开的破裂开口2.3。电解质10通过破裂开口2.3相关于单体壳体2.1向外溢出，其中，借助粘合剂释放单元6所释放的粘合剂9结合电解质10。
附图标记列表
1电池
2电池单体
2.1单体壳体
2.2单体盖
2.3破裂开口
3电池壳体
4检测单元
5评估单元
6粘合剂释放单元
6.1压力容器
6.2释放机构
6.3阀
7未密封的电池单体
8电极
9粘合剂
10电解质
11封闭元件
12串联端子
13用电器
14自由空间
15间隔元件
16控制单元
S1第一阈值
S2第二阈值
S3第三阈值

Claims (10)

1.一种用于对电化学储能器进行密封性检验的装置，所述电化学储能器被设计为电池单体（2）或被设计为具有多个彼此并联和/或串联的电池单体（2）的电池（1），其中设置有至少一个检测单元（4），借助所述检测单元能够检测壳体中的气体浓度，其特征在于，壳体（2.1、3）是可封闭的并且所述检测单元（4）是金属氧化物传感器，所述金属氧化物传感器与评估单元（5）连接并且能根据所检测的气体浓度借助所述评估单元（5）自动产生用于触发粘合剂释放单元（6）的控制信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述粘合剂释放单元（6）被布置在被设计为电池壳体（3）的壳体中。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述粘合剂释放单元（6）具有容器（6.1），所述容器具有可封闭的开口。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，能根据所检测的气体浓度借助所述评估单元（5）自动产生用于输出报警信号的控制信号，其中设置有用于输出视觉的、听觉的和/或触觉的报警信号的输出单元。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，能根据所检测的气体浓度借助所述评估单元（5）自动产生用于断开所述电化学储能器的控制信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在布置有多个电化学储能器的情况下，每个储能器分别配设有一检测单元（4）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述检测单元（4）在所述电池壳体（3）的内部空间中被布置在所述电池壳体（3）之上和/或之中。
8.一种用于对电化学储能器进行密封性检验的方法，所述电化学储能器被设计为电池单体（2）或被设计为具有多个彼此并联和/或串联的电池单体（2）的电池（1），其中借助至少一个检测单元（4）检测壳体中的气体浓度，其中封闭所述壳体，在壳体（2.1、3）中借助作为检测单元（4）的金属氧化物传感器来检测气体浓度并且将所检测的信号传输给评估单元（5），其中根据所检测的气体浓度产生用于断开所述电化学储能器的控制信号和/或产生用于触发粘合剂释放单元（6）的控制信号和/或产生用于输出报警信号的控制信号，其特征在于，在布置有多个电化学储能器的情况下，每个储能器分别配设有一检测单元（4）。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对于布置在车辆中的电化学储能器，连续地检测气体浓度。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，借助所述检测单元（4）来检测电解质（10）的易挥发的溶剂组分。
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