CN103999263B - 用于锂电池单元的电解液计量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统（10），所述电池系统包括至少一个具有电解质的锂电池单元（100），其中所述电解质包括至少一种用电解液浸润或可浸润的聚合物。为了提高电池系统（10）的输出容量、寿命和安全性，电池系统（10）此外包括至少一个电解液计量装置（14），通过所述电解液计量装置可以将电解液的至少一种成分输送给锂电池单元（100）和/或通过所述电解液计量装置可以从锂电池单元（100）排出电解液。除此之外，本发明涉及电解液计量装置（14）、锂电池单元（100）、方法以及移动的或固定的系统。

Description

用于锂电池单元的电解液计量装置
技术领域
本发明涉及电池系统、电解液计量装置、锂电池单元、方法以及移动的或固定的系统。
背景技术
在传统锂（离子）电池情况下，由有机溶剂和无机导电盐组成的混合物被用作电解液。
其衍生物是具有固态聚合物电解质的锂（离子）电池。
这两种电解质方案的具有凝胶状电解质的组合也是已知的，所述凝胶状电解质由用电解液浸润的聚合物组成。
发明内容
本发明的主题是电池系统，包括
-至少一个锂电池单元，其具有电解质，尤其是所谓凝胶状电解质或凝胶（聚合物）电解质，所述电解质包括至少一种用电解液浸润或可浸润的聚合物，尤其是所谓的聚合物电解质，和
至少一个电解液计量装置，
其中电解液的至少一种成分可以通过电解液计量装置输送给锂电池单元和/或从锂电池单元排出。
尤其是可以将锂电池单元理解为原电池，其包括锂作为电化学活性电池单元成分。锂电池单元不仅可以被理解为作为阳极材料包括金属锂或锂合金的锂电池单元，而且可以被理解为作为阳极材料包括嵌入材料（例如石墨）的所谓的锂离子电池单元，锂离子可以可逆地填充到所述嵌入材料中并且又被移出，这也称为嵌入或脱嵌。
电解液的成分尤其是可以被理解为电解溶剂、导电盐以及其混合物、尤其是溶液。例如，电解液可以包括例如从碳酸盐和乙醚的组中选择的一种或多种尤其是有机的电解溶剂，以及包括一种或多种导电盐，例如LiPF6。
电解液计量装置在此可以被设计不仅用于对（整个）电解液、也即由一种或多种电解溶剂和一种或多种导电盐组成的混合物进行计量，而且用于（单独地）对一种或多种电解溶剂和/或一种或多种导电盐进行计量。
电解液计量装置能够有利地将例如电解液或电解溶剂和/或导电盐形式的附加电解质成分输送给锂电池单元或者从锂电池单元中移除例如电解液形式的电解质成分，并且从而随时如此测量或调整聚合物中的电解液，使得可以针对相应的应用和当前运行状态最佳地调整锂电池单元。因此再次可以有利地在最不同的应用情况下获得高的输出容量。此外，因此可以保证高的安全性。此外通过可以使电解液、例如电解液量始终适配于或减小到当前的要求，也可以明显减少寄生副反应并且从而明显延长锂电池单元的寿命，其中所述寄生副反应否则也许可能耗尽电解液并且甚至长期破坏锂电池单元。此外，有利地可以补偿锂电池单元中电解液的老化引起的和必要时温度引起的降解，其方式例如是通过电解液计量装置对电解液进行重新计量，并且从而明显减少老化的影响和从而同样显著延长寿命。
电解液有利地对电解质的离子电导率产生影响。电解质的聚合物分量有利地可以具有高的耐热性。
在一种实施方式的范围中，锂电池单元中的至少一种电解液成分（尤其是电解液）的量可以通过电解液计量装置尤其是自动地调节。例如在此电解溶剂量和/或导电盐量和/或锂电池单元中的电解溶剂量可以通过电解液计量装置尤其是自动地调节。
在另一实施方式的范围中，锂电池单元包括阳极、阴极和布置在该阳极和阴极间的分离器。在此可能的是，分离器包括电解质或者由电解质构造。在分离器的区域中、尤其是在分离器边缘处的一个或多个部位处，尤其是可以构造一个或多个用于将至少一种电解液成分（例如电解液）尤其是通过电解液计量装置输送和/或排出或从电解液计量装置输送出和/或排出到电解液计量装置的接口。
电解液计量装置尤其是可以通过一个或多个液体管路与锂电池单元连接或可与锂电池单元连接。
在另一实施方式的范围中，电解液计量装置具有至少一个电解液成分储存容器，其容积可以通过可移动的壁改变。可移动的壁例如类似于在注射器情况下可以是由相对刚性的材料制成的可移动的、尤其是可推移的壁。但是同样可以由弹性材料构造可移动的壁并且通过弹性材料的膨胀变化而引起容积变化。例如，电解液计量装置也可以具有两个或更多尤其是这种电解液成分储存容器，其中例如一个电解液成分储存容器可以被设计用于储存电解液和/或一个电解液成分储存容器可以被设计用于储存电解溶剂和/或一个电解液成分储存容器可以被设计用于储存导电盐。
在另一实施方式的范围中，电解液计量装置具有至少一个用于用至少一种电解液成分（例如电解液和/或电解溶剂和/或导电盐）填充电解液成分储存容器和/或用于从电解液成分储存容器中移除至少一种电解液成分（例如电解液和/或电解溶剂和/或导电盐）的接口。通过这种方式，电解液成分储存容器可以被配备新的电解液和/或新的电解溶剂和/或新的导电盐。此外从而也可以将电解液计量装置用于例如在锂电池单元或电池系统的维护过程中完全更换锂电池单元中的电解液或通过新的电解液代替。因此可以有利地提高锂电池单元和从而电池系统的输出容量、寿命和安全性。
在另一实施方式的范围中，电池系统包括至少一个测量装置。该测量装置尤其可以是至少一个从包括（电池单元）电压测量装置、（电池单元）电流测量装置、（电池单元内部）电阻测量装置、（电池单元内部）温度测量装置或其组合的组中选择的测量装置。
所述一个/多个测量装置可以集成到电解液计量装置中或者是电解液计量装置的构件。但是同样可能的是，所述一个或多个测量装置是电池系统的、例如电池管理系统的也用于其他目的的测量装置。
在另一实施方式的范围中，电池系统包括控制装置。该控制装置尤其是可以被设计用于根据尤其是从包括电池单元电压、电池单元电流、电池单元内部电阻、温度和其组合的组中选择的至少一个测量参数来控制或调节电解液计量装置。
在此，控制装置可以集成到电解液计量装置中或者是电解液计量装置的构件。但是同样可能的是，所述控制装置是电池系统的、例如电池管理系统的也用于其他目的的控制装置。
为了从一个或多个测量装置接收测量参数，控制装置可以具有至少一个用于在信号技术上连接测量装置的接口。例如，控制装置可以具有用于在信号技术上连接（电池单元）电压测量装置的接口和/或用于在信号技术上连接（电池单元）电流测量装置的接口和/或用于在信号技术上连接（电池单元内部）电阻测量装置的接口和/或用于在信号技术上连接（电池单元内部）温度测量装置的接口。
在另一实施方式的范围中，只要电池单元内部电阻尤其是在当前温度下高于预定的极限值、尤其是上极限值，控制装置就控制电解液计量装置将电解液输送给锂电池单元。
在另一实施方式的范围中，只要电池单元内部电阻尤其是在当前温度下低于预定的极限值、尤其是下极限值，控制装置就控制电解液计量装置从锂电池单元排出电解液。
在另一实施方式的范围中，只要电池单元内部电阻尤其是在当前温度下对应于预定的极限值或者处于从下极限值延伸至上极限值的范围内，控制装置就控制电解液计量装置不向锂电池单元输送电解液或不从锂电池单元排出电解液。
只要对于电池单元内部电阻设置唯一的极限值，例如x，就可以例如在电池单元内部电阻大于x时输送电解液或者在电池单元内部电阻小于x时排出电解质或者在电池单元内部电阻等于x时不发生电解液输送和排出。
但是同样可以设置容差范围。这例如可以通过以下方式进行，即设置上极限值、例如xo和下极限值、例如xu。例如于是可以在电池单元内部电阻大于xo时输送电解液或者在电池单元内部电阻小于xu时排出电解质或者在电池单元内部电阻大于或等于xu并且小于或等于xo时不发生电解液输送和排出。
在另一实施方式的范围中，待输送或待排出的电解液量与在电池单元内部电阻与一个或对应的极限值之间的差成比例。
在另一实施方式的范围中，电解液计量装置的可移动的壁的位置或膨胀可以与在电池单元内部电阻与一个或对应的极限值之间的差成比例地改变。
电池系统不仅可以包括一个锂电池单元而且可以包括两个或更多锂电池单元。只要电池系统包括多个锂电池单元，电池系统就不仅可以包括一个电解液计量装置，其例如被设计用于所有锂电池单元的电解液供应，而且可以包括多个电解液计量装置，它们例如被分别设计用于锂电池单元之一的电解液供应。只要电池系统包括被设计用于多个锂电池单元的电解液供应的电解液计量装置，该电解液计量装置就可以尤其是对于每个要被供应电解液的锂电池单元而言包括尤其是自动地可控制的阀门。尤其是在该情况下，尤其是自动地可控制的阀门可以集成到每个通向锂电池单元的液体管路片段中。因此可以有利地引起，在一个或多个确定的锂电池单元中可以调节电解液的量，而在例如已经包含电解液的最佳量的其他锂电池单元中可以保持电解液的量。
在本发明电池系统的其他特征和优点方面，对此明确地参照关于后面阐述的本发明电解液计量装置、后面阐述的本发明锂电池单元、后面阐述的本发明方法、后面阐述的本发明移动的或固定的系统的阐述以及参照图和附图说明。
本发明的另一主题是用于锂电池单元或电池系统、尤其是用于本发明电池系统或后面阐述的本发明锂电池单元和/或用于执行后面阐述的本发明方法的电解液计量装置。
尤其是，电解液计量装置可以包括电解液成分储存容器。该电解液成分储存容器尤其是可以具有用于改变电解液成分储存容器的容积的可移动的壁。可移动的壁例如类似于在注射器情况下可以是由相对刚性的材料制成的可移动的、尤其是可推移的壁。但是同样可以由弹性材料构造可移动的壁并且通过弹性材料的膨胀的变化而引起容积变化。
此外，电解液计量装置可以包括至少一个测量装置和/或至少一个用于在信号技术上连接至少一个测量装置的接口。该测量装置尤其可以是至少一个从包括（电池单元）电压测量装置、（电池单元）电流测量装置、（电池单元内部）电阻测量装置、（电池单元内部）温度测量装置或其组合的组中选择的测量装置。
此外，电解液计量装置可以包括控制装置和/或至少一个用于在信号技术上连接控制装置的接口。该控制装置尤其是可以被设计用于根据尤其是从包括电池单元电压、电池单元电流、电池单元内部电阻、温度和其组合的组中选择的至少一个测量参数来控制或调节电解液计量装置。
为了从一个或多个测量装置接收测量参数，控制装置可以具有至少一个用于在信号技术上连接测量装置的接口。例如，控制装置可以具有用于在信号技术上连接（电池单元）电压测量装置的接口和/或用于在信号技术上连接（电池单元）电流测量装置的接口和/或用于在信号技术上连接（电池单元内部）电阻测量装置的接口和/或用于在信号技术上连接（电池单元内部）温度测量装置的接口。
只要电池单元内部电阻尤其是在当前温度下高于预定的极限值、尤其是上极限值，控制装置就可以尤其是操控电解液计量装置将电解液输送给锂电池单元，和/或只要电池单元内部电阻尤其是在当前温度下低于预定的极限值、尤其是下极限值，控制装置就可以尤其是操控电解液计量装置从锂电池单元排出电解液。
只要电池单元内部电阻尤其是在当前温度下对应于预定的极限值或者处于从下极限值延伸至上极限值的范围内，控制装置就可以促使电解液计量装置既不向锂电池单元输送电解液也不从中排出电解液。
待输送或待排出的电解液量与在电池单元内部电阻与一个或对应的极限值之间的差成比例。
电解液计量装置的可移动的壁的位置或膨胀可以尤其是与在电池单元内部电阻与一个或对应的极限值之间的差成比例地改变。
电解液计量装置可以被设计用于一个以及多个锂电池单元的电解液供应。只要电解液计量装置被设计用于多个锂电池单元的电解液供应，该电解液计量装置就可以尤其是对于每个要被供应电解液的锂电池单元而言包括尤其是自动地可控制的阀门。尤其是在该情况下，尤其是自动地可控制的阀门可以集成到每个通向锂电池单元的液体管路片段中。因此可以有利地引起，在一个或多个确定的锂电池单元中可以调节电解液的量，而在例如已经包含电解液的最佳量的其他锂电池单元中可以保持电解液的量。
在一种实施方式的范围中，电解液计量装置具有至少一个用于用至少一种电解液成分（尤其是电解液）填充电解液成分储存容器和/或用于从电解液成分储存容器中移除至少一种电解液成分（尤其是电解液）的接口。因此，也可以将电解液计量装置用于例如在锂电池单元或电池系统的维护过程中完全更换锂电池单元中的电解液或通过新的电解液代替。因此可以有利地提高锂电池单元和从而电池系统的输出容量、寿命和安全性。
在本发明电解液计量装置的其他特征和优点方面，对此明确地参照关于本发明电池系统、后面阐述的本发明锂电池单元、后面阐述的本发明方法、后面阐述的本发明移动的或固定的系统的阐述以及参照图和附图说明。
本发明的另一主题是锂电池单元，例如用于在本发明电池系统中使用和/或具有本发明电解液计量装置和/或用于执行后面阐述的本发明方法，所述锂电池单元包括阳极、阴极、布置在该阳极和阴极间的分离器和电解质，其中电解质包括至少一种用电解液浸润或可浸润的聚合物。在此可能的是，分离器包括电解质或者由电解质构造。在分离器的区域中、尤其是在分离器边缘处的一个或多个部位处，尤其是可以构造一个或多个用于尤其是通过电解液计量装置输送和/或排出至少一种电解液成分（尤其是电解液）的接口。
在本发明锂电池单元的其他特征和优点方面，对此明确地参照关于本发明电池系统、本发明电解液计量装置、后面阐述的本发明方法、后面阐述的本发明移动的或固定的系统的阐述以及参照图和附图说明。
本发明的另一主题是用于运行电池系统、例如根据本发明的电池系统和/或锂电池单元、例如根据本发明的锂电池单元和/或电解液计量装置、例如根据本发明的电解液计量装置的方法，所述方法包括以下方法步骤：
a)求取锂电池单元的电池单元内部电阻和必要时锂电池单元的温度，
b)确定所求取的电池单元内部电阻尤其是在所求取的温度下是位于预定的极限值、尤其是上极限值之上还是位于预定的极限值、尤其是下极限值之下，和
c)只要所求取的电池单元内部电阻高于预定的极限值、尤其是上极限值，就将电解液输送到锂电池单元中，或者
只要所求取的电池单元内部电阻低于预定的极限值、尤其是下极限值，就从锂电池单元移除电解液。
通过本发明方法可以有利地可变地和自调节地或自动调节地调整具有凝胶状电解质的锂电池单元的电解液量，由此可以获得前面阐述的优点。
例如，可以由所测量的电池单元电压和电流或由可从中计算出的电池单元内部电阻以及电池单元内部的当前温度直接地导出，位于电池单元中的电解液量是足够的（所测量的电阻对应于额定值），必须被提高（所测量的电阻高于额定值）还是必须被减小（所测量的电阻低于额定值）。
电解液量的提高于是可以通过经由电解液计量装置添加来实现。减少可以类似地通过由相同的电解液计量装置从电池单元中移除电解液来实现。电解液计量装置的作用原理在此可以类似于注射器。
电解液的输送或排出例如可以点状地在分离器边缘处的一个或多个部位处进行，因为电解液量自动在分离器或固态电解质聚合物中扩散。电解液的输送或排出的计算和从而所测量的电流值、电压值和温度值向电解液计量装置的可移动的壁的对应行程的转换可以通过适当的电子控制装置直接在电解液计量装置处或在电解液计量装置中接管或者由现有的控制装置、例如现有的电池管理系统接管。
在本发明方法的其他特征和优点方面，对此明确地参照关于本发明电池系统、本发明电解液计量装置、本发明锂电池单元、后面阐述的本发明移动的或固定的系统的阐述以及参照图和附图说明。
本发明的另一主题是移动的或固定的系统，其包括本发明电池系统和/或本发明电解液计量装置和/或本发明锂电池单元和/或执行本发明方法。该系统尤其可以是车辆，例如混合动力车辆、插电式混合动力车辆或电动车辆；能量存储设备、例如用于固定的能量存储，例如在房屋或技术设备中；电动工具、电动园艺工具或电子设备，例如笔记本、PDA或移动电话。
由于在汽车应用中特别高的安全性要求，本发明电池系统、本发明电解液计量装置、本发明锂电池单元和/或本发明方法特别适用于混合动力车辆、插电式混合动力车辆和电动车辆。
在本发明移动的或固定的系统的其他特征和优点方面，对此明确地参照关于本发明电池系统、本发明电解液计量装置、本发明锂电池单元、本发明方法的阐述以及参照图和附图说明。
附图说明
本发明主题的其他优点和有利构型通过附图来阐明并且在下面的描述中予以阐述。在此要注意的是，附图仅具有描述性特性并且不应被认为以任何形式限制本发明。其中：
图1示出本发明电池系统、本发明电解液计量装置和本发明锂电池单元的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出电池系统10，其包括锂电池单元100，所述锂电池单元包括阳极11、阴极12、布置在该阳极和阴极间的分离器13以及未示出的由用电解液浸润的聚合物组成的凝胶状电解质。为了阳极11和阴极12电接触，锂电池单元100此外具有阳极集流器18和阴极集流器19。
图1阐明电池系统此外包括电解液计量装置14，其被实施为注射器状的并且具有电解液成分储存容器14a，所述电解液成分储存容器的容积可以通过可移动的壁14b改变。
图1示出从电解液计量装置14出发的液体管道在分离器13的区域中通向锂电池单元100，经由所述液体管道可以通过电解液计量装置14将电解液输送给锂电池单元100或者从中排出。通过这种方式有利地可以通过电解液计量装置14尤其是自动地调节锂电池单元100中的电解液的量。
图1示出电池系统此外包括电池单元内部温度测量装置15、电池单元电压测量装置16和电池单元电流测量装置17，包括分别在信号技术上与电解液计量装置14连接。虚线阐明在信号技术上的连接在此可以不必通过电缆构造，而是也可以无电缆地构造。尤其是，电池单元内部温度测量装置15、电池单元电压测量装置16和电池单元电流测量装置17与未示出的集成到电解液计量装置14中的控制装置连接。
控制装置可以从由电池单元电压测量装置16测量的电池单元电压和由电池单元电流测量装置17测量的电流中求取电池单元内部电阻，所述电池单元内部电阻提供对可能的电解液输送或移除的推断。因为电池单元内部电阻是与温度有关的，所以附加地可以引入通过电池单元内部温度测量装置15测量的电池单元内部温度，以便确定经温度校正的电池单元内部电阻和根据该经温度校正的电池单元内部电阻调节电解液输送或排出。
于是控制装置可以根据电池单元内部电阻，必要时在考虑电池单元内部温度的情况下控制电解液计量装置14、尤其是电解液成分储存容器14a的可移动的壁14b的位置。
在此尤其是可以这样进行所述控制，使得只要电池单元内部电阻在当前温度下高于预定的极限值，就给锂电池单元100输送电解液，并且只要所求取的电池单元内部电阻在当前温度下低于预定的极限值，就从锂电池单元100移除电解液。
因为电解液的输送和排出又可以影响后来测量的测量参数，例如电池单元电压、电流和电池单元内部温度，所以该做法必要时也可以称为调节并且控制单元可以被称为调节装置。
总之，因此可以有利地尤其是根据电流、电压和温度在两个方向上自动地控制或调节凝胶聚合物电解质内的电解液的量。

Claims (13)

1.电池系统（10），包括
-至少一个锂电池单元（100），其具有电解质，所述电解质包括至少一种用电解液浸润或可浸润的聚合物，和
-至少一个电解液计量装置（14），
其中所述电解液的至少一种成分能够通过所述电解液计量装置（14）输送给所述锂电池单元（100）和/或从锂电池单元（100）排出，
其中所述电解液计量装置（14）具有至少一个电解液成分储存容器（14a），该至少一个电解液成分储存容器的容积能够通过可移动的壁（14b）改变，
其中，所述电池系统（10）包括控制装置，所述控制装置根据电池单元内部电阻和/或温度来控制所述电解液计量装置（14），其中所述控制装置根据电池单元内部电阻在考虑电池单元内部温度的情况下控制所述可移动的壁（14b）的位置。
2.根据权利要求1所述的电池系统（10），其中所述锂电池单元（100）中的至少一种电解液成分的量能够通过所述电解液计量装置（14）调节。
3.根据权利要求2所述的电池系统（10），其中所述锂电池单元（100）中的至少一种电解液成分的量能够通过所述电解液计量装置（14）自动地调节。
4.根据权利要求1或2所述的电池系统（10），其中所述锂电池单元（100）包括阳极（11）、阴极（12）和布置在该阳极和阴极间的分离器（13），其中在所述分离器（13）的区域中构造一个或多个用于将至少一种电解液成分输送和/或排出的接口。
5.根据权利要求1所述的电池系统（10），其中所述电解液计量装置（14）具有至少一个用于用至少一种电解液成分填充所述电解液成分储存容器和/或用于从所述电解液成分储存容器中移除至少一种电解液成分的接口。
6.根据权利要求1至2之一所述的电池系统（10），其中所述电池系统包括电压测量装置（16）、电流测量装置（17）和温度测量装置（15）。
7.根据权利要求1所述的电池系统（10），其中
-只要所述电池单元内部电阻在当前温度下高于预定的上极限值，所述控制装置就操控所述电解液计量装置（14）将电解液输送给所述锂电池单元（100），和/或
-只要所述电池单元内部电阻在当前温度下低于预定的下极限值，所述控制装置就操控所述电解液计量装置（14）从所述锂电池单元（100）排出电解液，和/或
-只要所述电池单元内部电阻在当前温度下处于从下极限值延伸至上极限值的范围内，所述控制装置就操控所述电解液计量装置（14）不向所述锂电池单元（100）输送电解液或不从所述锂电池单元（100）排出电解液。
8.根据权利要求1至2之一所述的电池系统（10），其中待输送或待排出的电解液量与在所述电池单元内部电阻与一个或对应的极限值之间的差成比例，和/或所述电解液计量装置（14）的所述可移动的壁（14b）的位置能够与在所述电池单元内部电阻与一个或对应的极限值之间的差成比例地改变。
9.用于根据权利要求1至8之一所述的电池系统（10）的电解液计量装置，所述电解液计量装置包括至少一个电解液成分储存容器（14a），
其中该电解液成分储存容器（14a）具有用于改变所述电解液成分储存容器（14a）的容积的可移动的壁（14b），
其中所述电解液计量装置（14）还包括控制装置和/或至少一个用于在信号技术上连接控制装置的接口，
其中所述电解液计量装置（14）还包括至少一个测量装置（15，16，17）和/或至少一个用于在信号技术上连接至少一个测量装置（15，16，17）的接口，
其中所述控制装置根据电池单元内部电阻在考虑电池单元内部温度的情况下控制所述可移动的壁（14b）的位置。
10.根据权利要求9所述的电解液计量装置，其中所述电解液计量装置（14）具有至少一个用于用至少一种电解液成分填充所述电解液成分储存容器（14a）和/或用于从所述电解液成分储存容器（14a）中移除至少一种电解液成分的接口。
11.用于运行根据权利要求1至8之一所述的电池系统（10）的方法，所述方法包括步骤：
a)求取锂电池单元（100）的电池单元内部电阻和求取所述锂电池单元的温度，
b)确定所求取的电池单元内部电阻在所求取的温度下是位于预定的上极限值之上还是位于预定的下极限值之下，和
c)只要所求取的电池单元内部电阻高于预定的上极限值，就将电解液输送到所述锂电池单元（100）中，或者
只要所求取的电池单元内部电阻低于预定的下极限值，就从所述锂电池单元（100）移除电解液，
其中将电解液输送到所述锂电池单元（100）中或从所述锂电池单元（100）移除电解液是通过所述电池系统（10）的控制装置控制所述可移动的壁（14b）的位置来进行的。
12.移动的或固定的系统，包括根据权利要求1至8之一所述的电池系统（10）和/或根据权利要求9所述的电解液计量装置（14）和/或执行根据权利要求11所述的方法。
13.根据权利要求12所述的移动的或固定的系统，其中所述系统是车辆、能量存储设备、电动工具或电子设备。
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