CN112335093A - 电池的监控 - Google Patents

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CN112335093A CN201980039606.7A CN201980039606A CN112335093A CN 112335093 A CN112335093 A CN 112335093A CN 201980039606 A CN201980039606 A CN 201980039606A CN 112335093 A CN112335093 A CN 112335093A
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Abstract

本发明涉及一种用于监控电池单体的方法，所述方法包括：‑测量第一值，第一值相应于存在于电池单体内的压力；‑基于第一值确定第二值，其中，第二值相应于电池单体的温度；以及‑基于第二值监控电池单体。可确定电池单体是处于无故障的状态还是处于有故障的状态、尤其是有问题的状态、尤其是临界状态。还公开了一种传感器装置、一种具有这种传感器装置的电池单体和一种具有这种电池单体的车辆。

Description

电池的监控
技术领域
本发明涉及电池的监控。本发明尤其是涉及在临界状态方面对电池单体的监控。本发明尤其是应用于锂离子电池单体中，但不局限于锂离子电池单体。本发明可尤其是与车辆电池、尤其是高压蓄存器相结合地使用，所述车辆电池(也)用于车辆的驱动装置，所述驱动装置或是与内燃机相组合或是作为车辆的纯电动驱动装置。但本发明也不局限于这方面。
背景技术
由现有技术已知，经由(气体)压力传感器可检测电池单体的过负载。对此的示例是US6437542B1、US2006/0246345A1、DE102013113909A1、DE102010046307A1和DE102012223708A1。在这些已知的方法中，确定电池单体的压力是否超过事先确定的值。
本发明的发明人认识到，电池单体内的压力与温度(强烈)相关。就此而言，本发明人认识到，根据现有技术中的方法将事先确定的压力阈值(临界压力)设定得相对高，以便使对临界状态的错误检测(错误地将结果判定为积极的，false positives)的数量保持得少。如果临界压力的阈值设定得过低，则视电池单体的温度而定即使在正常的运行状态中也会到达该值或超过该值。此外，电池单体中的压力在使用寿命期间升高，从而在固定的阈值选择得低的情况下，这已经可导致错误检测。另一方面，本发明人认识到，设定得相对高的临界压力阈值带来如下风险，即，临界状态相对晚地检测到以及如有可能过晚地检测到。
发明内容
在该背景下，本发明的任务是，提供一种针对电池单体的监控的替代方案或改进电池单体的监控。
根据本发明，这通过独立权利要求的教导来实现。本发明的可优选的实施方式和扩展方案是从属权利要求的技术方案。
本发明的第一方面涉及一种用于监控电池单体的方法，所述方法包括：
-测量第一值，该第一值相应于存在于电池单体内的压力；
-基于第一值确定第二值，其中，该第二值相应于电池单体的温度；以及
-基于第二值监控电池单体。
本发明人认识到，至少在一些种类的电池单体中，在存在于电池单体内的压力(尤其是气体压力)与电池单体内的温度(尤其是电池单体卷芯或电池单体堆中的温度)之间存在关系。根据本发明，该关系可被用于基于测得的第一值确定第二值，该第一值相应于压力，该第二值相应于电池单体内的温度。
根据一种实施方案，依据在电池单体的压力与温度之间的关系基于第一值确定第二值，其中，在电池单体的压力与温度之间的关系在电池单体处于正常状态期间存在。
根据该实施方案，术语“正常状态”优选应理解为电池单体的如下状态，在该状态中，电池单体基本上无故障地工作或能基本上无故障地工作和/或不过负荷和/或过负载和/或不经历或仅经历非常小的不均匀的加热/冷却。在电池单体处于这种正常状态期间，在压力与温度之间的关系可例如通过测量列来确定。在此，本发明人认识到，在压力与温度之间的关系至少在一部分区域上可被视作线性的，从而该关系可通过线性函数近似。通过这种线性关系使基于第一值对第二值的确定变得特别简单。对所述关系的确定也变得简单，所述关系可例如存储在电池或相配属的控制器中，因此该关系可被用于基于第一值确定第二值。例如足够的是，测量不同的两对压力和相配属的温度，以便由此确定在压力(p)与温度(T)之间的线性关系。在数学上，该关系能够表达为T＝m×p+c，其中，m和c的值可通过两个上文提及的测量来确定。
尽管如此，本发明也仍设有如下可行性：在温度与压力之间的关系不是通过线性函数来近似，而是通过例如还具有平方项或更高阶项的函数来近似。尽管以下描述基本上局限于线性关系，但要注意的是，非线性关系的确定和接着这种非线性关系的使用能够以类似方式进行，但一般则需要超过两个测量以用于确定在压力与温度之间的关系(校准)。
根据一种实施方案，在电池单体的压力与温度之间的关系考虑电池单体的荷电状态和/或电池单体的使用寿命和/或老化状态。
在电池单体的使用寿命或老化状态方面，本发明人认识到，在电池单体内的压力与温度之间的关系虽然可被视作为线性的，但该关系可随着时间而改变、即可在电池单体的使用寿命上改变。但该改变是相对慢的(例如在电驱动的车辆中的电池单体平均使用的情况下与充电和放电循环相比)，从而一般足够的是，例如隔开数天地适配在压力与温度之间的关系。
为了考虑电池单体的使用寿命，可例如考虑日历寿命。附加地或替代地，可考虑电池单体的老化状态、例如基于使用历史考虑电池单体的老化状态。
根据一种实施方案，通过如下方式考虑电池单体的使用寿命/老化状态，即，依据所确定的另外的温度来跟踪所述或一个在压力与温度之间的关系。
在此，所述另外的温度不(或至少不仅)基于测得的压力来确定。所确定的所述另外的温度则可用于检验所储存的在压力与温度之间的(线性)关系是否还与现实情况相对应。如果不是这种情况，则可相应地跟踪该关系，即在使用上文提到的线性函数的情况下可相应地适配m和/或c的值。在此，推荐的是，再次执行至少两个温度测量。
所述至少一个另外的温度优选在如下时间点确定，在该时间点可期待，所述另外的温度基本上相应于电池单体内的实际温度。
本发明人认识到，如果电池单体在充电或放电，则使用外部的温度传感器(例如电池端子上的温度传感器)来确定电池单体内部的温度可尤其是导致有错误的结果。尽管如此，本发明人仍认识到，在另外的时间点，外部的温度传感器可提供完全可靠的结果。换言之，在这种时间点可期待，通过例如外部的温度传感器确定的另外的温度基本上相应于电池单体内的实际温度，从而这样确定的另外的温度完全可适合用于跟踪在压力与温度之间的关系、即用于(再)校准。
在电池单体的荷电状态方面，本发明人查明，即使在调整到热平衡之后(即例如在充电或放电过程之后经历了足够长的“冷却阶段”之后)，对于两个压力测量在温度相同的情况下也产生压力差异，该压力差异刚好可归因于电池单体的荷电状态。该压力差异虽然相对小并且原则上可因此被忽略。可另一方面，如果考虑到由于电池单体的荷电状态引起的压力差异，则根据本发明基于第一值对第二值的确定变得还更准确。为了考虑荷电状态，可采用与上文描述的用于考虑电池单体的使用寿命的做法相类似的方法，所述做法即基于在不同的荷电状态中对压力和温度的测量进行(再)校准。也可例如在电池单体的开发期间确定电池单体的荷电状态对在电池单体内的压力与温度之间的关系的影响，并且将该影响储存在电池单体或相配属的控制器中。
根据一种实施方案，基于第二值监控电池单体包括：确定第二值是否等于第一阈值或超过第一阈值。
尽管第二值相应于温度值，但该实施方案与常规的对电池单体温度进行测量并接着将该电池单体温度与阈值进行比较是不同的。这尤其是在电池单体不均匀加热的情况下变得明显。电池单体的不均匀的加热根据本发明人的认识经常通过明显的压力升高表现出来，该压力升高由于电池单体内自由的压力分布而能够在没有显著延迟的情况下通过压力测量器检测到。与此相对，根据本发明人的认识，电池单体的加热、尤其是不均匀的加热在常规的温度测量中(尤其是在电池单体外部的温度测量中)在一定的延迟之后才能察觉到。本发明的该实施方案因此能实现电池单体的及时监控。
如有可能，在电池单体的有故障的状态或有问题的状态或临界状态中，替代或附加于不均匀的加热/过热而可能出现另外的效应。这种效应也可导致气体释放，从而气体压力不仅仅与电池单体的温度有关。在过负载的情况下，例如由于电池单体的添加剂或电解质或甚至一个或多个电极的形成气体的分解可使气体压力升高。在非常强烈的(局部)加热的情况下(在该局部加热的情况下例如出现高于80℃的温度)，气体压力能够由于阳极上SEI(固态电解质中间相)的分解反应和再生反应而升高。这些用于升高压力的贡献则导致所导出的第二值的更快的升高并且因此也导致较早到达第一阈值。
考虑到上面描述的效应而认识到，(由测得的压力导出的)第二值虽然原则上相应于温度值，但该温度值不一定必定与电池单体的实际温度一样。可将第二值以一定方式视作为电池单体的虚拟温度值。
根据一种实施方案，所述方法还包括：测量第三值，该第三值相应于在电池单体中或电池单体上的温度。
这种温度测量可被用作检验测量，如下文所描述的。
根据一种实施方案，通过两个基本上彼此独立的测量来确定第一值和第三值。
在此，优选是指，第三值不仅仅由第一值以计算的方式导出。这两个测量还是可通过组合式测量器、如MEMS气体压力传感器来执行，该组合式测量器不仅可测量压力而且可测量温度。
根据一种实施方案，基于第二值监控电池单体包括：基于在第二值与第三值之间的差监控电池单体。
这种差可以是例如对上文提到的电池单体的不均匀的加热或其他问题的指示。所述差越大，存在不均匀的加热或其他问题的概率就越大。
相应地，根据一种扩展方案，基于在第二值与第三值之间的差监控电池单体包括：确定所述差或所述差的数值是否等于第二阈值或超过第二阈值。
尽管第二阈值(以及第一阈值)可事先确定，但这种经确定的第一或第二阈值的使用与开头提到的根据现有技术的针对临界压力的固定阈值的使用是不同的，因为与第一或第二阈值进行比较的值不仅相应于压力，而且也可考虑了其他因素(荷电状态、使用寿命等)。
根据一种实施方案，将电池单体的状态视作为属于、尤其是配设于：
-第一类别，当第二值小于第一阈值时；和第二类别，当第二值等于第一阈值或超过第一阈值时；或
-第一类别，当在第二值与第三值之间的差或所述差的数值小于第二阈值时；和第二类别，当所述差或所述差的数值等于第二阈值或超过第二阈值时；或
-第一类别，当不仅第二值小于第一阈值，而且在第二值与第三值之间的差或所述差的数值小于第二阈值时；和在其他情况下第二类别。
该实施方案因此提供三种将电池单体的状态归类为两种类别的可行方案。根据第一变型方案，仅基于由测得的压力导出的温度值进行归类。根据第二变型方案，仅基于在由压力导出的温度值与测得的温度值之间的差进行归类。第三变型方案在一定程度上将最先两种变型方案组合，其中，只有当不仅第二值小于第一阈值而且所述差或其数值小于第二阈值时，才归类到第一类别中。
根据一种实施方案，第一类别是电池单体的基本上或充分无故障的状态，并且第二类别是电池单体的有故障的状态、尤其是有问题的状态、尤其是临界状态。
该实施方案因此实现基于上文提及的变型方案检测电池单体的有故障的状态、尤其是有问题的状态、尤其是临界状态。
根据一种实施方案，如果电池单体的状态被视作属于第二类别、尤其是配设于所述第二类别，则输出信号、尤其是警告信号和/或实施行动，其中，所述行动优选包括下列步骤中的至少一个步骤：
-关断电池单体；
-减小充电电流，以该充电电流给电池单体充电，尤其是将充电电流减小到零；
-减小放电电流，电池单体以放电电流放电，尤其是将放电电流减小到零；
-打开阀；
-加强冷却或导入紧急冷却。
因此，可输出如此信号，该信号例如对于电池单体的操作者而言可用作警告信号，因此必要时可导入措施，以便抵抗电池单体的所识别的有故障的状态、尤其是有问题的状态、尤其是临界状态。但另一方面，也可(自动地)执行行动，以便(自动地)抵抗所识别的问题等。
本发明的第二方面涉及一种用于监控电池单体的传感器装置，所述传感器装置包括：
-用于测量第一值的器件，该第一值相应于存在于电池单体内的压力；
-用于基于第一值确定第二值的器件，其中，该第二值相应于电池单体的温度；以及
-用于基于第二值监控电池单体的器件。
本发明的第三方面涉及一种电池单体，其包括上文描述的传感器装置。
本发明的第四方面涉及一种车辆，其包括上文描述的电池单体。
参考本发明的各方面之一(方法、传感器装置、电池单体和车辆)所提出的有利的设计方案和实施方式及其优点相应地也适用于本发明的根据本发明的其他方面。
本发明的其他优点、特征和应用可行方案由权利要求书、附图和附图描述得到。所有上面在说明书中提及的特征和特征组合以及下面在附图描述中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合来使用，而且能以其他组合或单独地使用，只要这些组合是能实施的。
附图说明
现在依据一些优选的实施例以及参考附图详细阐述本发明，其中，功能相同或功能类似的结构元件设有相同的附图标记。
附图中部分地以示意图示出，其中：
图1示出具有根据本发明的一种实施例的传感器装置的电池单体，
图2示出在电池单体内的压力与温度之间的关系，
图3示出在压力与温度和附加地电池单体的使用寿命之间的关系，
图4示出电池单体的放电过程(该图的上部分)和在该放电过程期间电池单体内的压力和温度(该图的下部分)，
图5示出图4的下部分的放大的部分局部，
图6示出在荷电状态方面经补偿的在电池单体内的压力和温度之间的关系，
图7示出电池单体的温度的时间变化曲线，
图8示出电池单体的温度差的时间变化曲线(该图的上部分)和电池单体的温度的时间变化曲线(该图的下部分)，
图9示出在电池单体的充电过程中电压和电流的时间变化曲线(上该图的上部分)和在电池单体的充电过程中压力和温度的时间变化曲线(该图的下部分)，
图10示出具有根据本发明的方法的方法步骤的一个流程图，
图11示出具有根据本发明的方法的方法步骤的另一个流程图。
具体实施方式
图1简化地示出具有根据一种实施例的传感器装置的电池单体1的构造。电池单体1具有壳体2，在该壳体中设有电池单体卷芯4或电池单体堆4。在壳体2中设有气体空间5，该气体空间包围电池单体卷芯4或电池单体堆4。电池单体卷芯4或电池单体堆4具有内部的负端子6和内部的正端子9。所述负端子和正端子以本身已知的方式通过电线路7和10与(外部的)负端子和正端子8、11连接。
气体压力传感器12集成到壳体2中。原则上，该气体压力传感器12能够布置在电池单体1中的任意部位处或在电池单体上的任意部位处，只要该气体压力传感器可测量存在于电池单体1内的压力。
由于气体在电池单体1内可基本上不受阻碍地运动，即尤其是也可从电池单体卷芯或电池单体堆4的区域不受阻碍地运动到气体空间5中并且反之亦然，因此在电池单体内到处基本上存在相同的压力。据此，气体压力传感器12(该气体压力传感器如图1中所示集成到壳体2中)可测量第一值，该第一值相应于存在于电池单体内的压力(即也相应于存在于电池单体卷芯或电池单体堆4中的压力)。为了使技术耗费保持得低，推荐的是，将气体压力传感器布置在电池单体卷芯或电池单体堆4之外，例如布置在电池壳体的盖件中(壳体2的上部部件)。
气体压力传感器12与处理器13或类似物连接，该处理器可分析评价和/或存储和/或进一步处理和/或进一步导引测量结果。替代地，处理器13也可集成到气体压力传感器12中。
在所示出的示例中，在存在于电池单体内的压力与电池单体的温度之间的(尤其是线性的)关系储存在处理器13中。为了确定该关系，可例如在电池单体的开发期间将适合的温度传感器布置在电池单体中。这种温度传感器(未示出)可例如布置在电池单体卷芯或电池单体堆4中，以便尽可能精确地测量电池单体卷芯或电池单体堆4中的实际温度。如上文提到的，原则上压力和温度的两个测量对(在不同的压力/温度下)足以由此确定在电池单体内的压力与温度之间的线性关系。有意义的是，在电池单体处于正常状态期间确定测量对。
在针对一种电池单体型式确定了压力与温度之间的关系之后，通过压力测量器12测量压力(“第一值”)便足以确定第二值，该第二值相应于电池单体1内的温度。由测得的压力则可根据上文提到的公式来确定温度。因此，在按照规定使用电池单体1期间，不需要测量电池单体卷芯或电池单体堆4中的温度。相应地，也不需要例如在电池单体卷芯或电池单体堆4中设置温度传感器。这与上文提到的将温度传感器布置在电池单体卷芯或电池单体堆4中以用于确定在压力与温度之间的关系并不相矛盾：根据优选的实施方式规定，至多在开发一种电池型式期间，例如在原型中，将温度传感器布置在电池单体卷芯或电池单体堆4中。该温度传感器用于确定在该型式的一个电池单体内的压力与温度之间的关系。该型式的其他电池单体(尤其是设置用于销售给顾客的电池单体)将不具有位于电池单体卷芯或电池单体堆4中的温度传感器。由于在压力与温度之间的关系已经确定，则也不需要这种温度传感器。
在说明书的进一步行文中解释图1中所示的其他细节。
图2示出针对两个型式的电池单体的在电池单体内的压力与温度之间的关系。实际测得的压力值和温度值对于其中一种电池单体型式通过菱形示出，而对于另一种电池单体型式通过小圆圈示出。看出的是，相应针对一种电池单体型式的测量值具有线性关系。对于这两种电池单体型式中的每种电池单体型式可通过本身已知的方法将直线20与21与测量值相适配。单个测量值与直线的偏差是相对小的。由各直线可确定上文提及的公式的m和c的值。
图3示出针对一种电池单体的在压力与温度之间的相应的(线性)关系，其中，两个测量列隔开数星期执行，分别通过不同的符号(圆圈和三角形)来表示。尽管在此也能够看出明显的线性关系，但本发明人查明，电池的使用寿命(日历寿命和/或基于使用历史的老化状态)对所述关系产生影响，即m和/或c的值由于电池单体的使用寿命而改变。在没有进一步措施的情况下这意味着，电池单体的温度无法(可靠地)由测得的压力确定。为了克服这个，根据本发明的实施例规定，考虑电池单体的使用寿命。为此，可例如在处理器13中储存：电池单体的使用寿命如何对在压力与温度之间的关系产生影响(例如通过测量列来确定)，从而能够相应地适配储存在处理器13中的在压力与温度之间的关系。压力的测量则将能继续实现(以足够的可靠性)由测得的压力确定温度。
附加地或替代地，在压力与温度之间的关系的适配也可通过(直接)测量另外的温度来实现。为此，本发明的实施例规定，不时地(例如隔开数小时、数天或数星期地)执行一个或多个温度测量。这种温度测量优选基本上独立于通过压力测量器12实现的压力测量来进行，但与该压力测量同时进行。依据所述测得的温度值和压力值可检验：所储存的在压力与温度之间的关系(即例如上文提及的公式中的m和c的值)是否仍正确或是否与现实情况相对应。可选地，则可基于测得的温度值和压力值来更新在压力与温度之间的关系。
根据本发明的实施例，如果测量了至少两对温度值和压力值，则可由此使在压力与温度之间的关系的更新变得更可靠。
温度测量原则上可在电池单体中的所有部位处或在电池单体上的所有部位处进行。尽管开头已提到在电池单体卷芯或电池单体堆4之外、尤其是在壳体2之外进行的温度测量可能提供错误的结果，但本发明人认识到，这基本上只有当电池单体处于负荷下或在充电或放电或被主动冷却或加热、尤其是以高的冷却率或加热率冷却或加热时才适用。本发明人认识到，在这种运行状态中，电池单体卷芯或电池单体堆的加热的时间变化曲线与例如在电池单体端子上的加热的时间变化曲线不一样地延伸，从而端子上的温度的测量例如后于或先于电池单体内部的温度的测量来进行。尽管如此，本发明人仍查明，在这种运行状态之后在足够长的冷却阶段之后，电池单体中和电池单体上的温度平衡。出于该原因，根据本发明的实施例提出，为了再校准在压力与温度之间的关系而测量例如电池单体端子上的温度，但只有当可期待这种测量提供正确结果时，才测量电池单体端子上的温度。例如可确定的是，这种温度测量只有当电池单体在预定的或能预定的时间间隔(例如数分钟、数十分钟、一小时或数小时)期间基本上未被利用或至多以预定的或能预定的最大充电电流或最大放电电流运行时才执行。
在图1中在三个不同的部位处表示，在电池单体1中或电池单体上可在哪里执行温度测量。在一种实施例中，温度传感器16布置在负端子8上并且与处理器13连接(用虚线示出)。附加地或替代地，温度传感器17可布置在气体空间5中并且也可与处理器13连接(再次用虚线示出)。
根据第三替代方案，温度传感器15集成到压力测量器12中。压力测量器12可例如具有MEMS气体压力传感器，该MEMS气体压力传感器不仅适合用于测量压力而且适合用于测量温度(通过单独的(子)传感器14和15示出)。在此，要注意的是，通过传感器15进行的温度测量基本上独立于通过传感器14进行的压力测量。换言之，温度不仅由测得的压力导出(根据上文描述的线性关系)，而且分开地确定，由此独立地测得的压力值和温度值可被用于检验在压力与温度之间的关系并且可选地用于更新在压力与温度之间的关系。
附加或替代于电池单体的使用寿命，也可考虑电池单体的荷电状态。这依据图4至6描述。
图4的上部分示出在电池单体1的放电过程期间电流的时间变化曲线(虚线40)和电压的时间变化曲线(实线41)。在所示出的示例中，大致在t＝10分钟至t＝28分钟的时间点之间进行放电。
图4的下部分示出测得的压力的变化曲线(实线42和43)、(测得的)电池单体卷芯或电池单体堆4中的温度Tint的变化曲线(虚线44)和(测得的)负端子8上的温度的变化曲线(点线45)。看到的是，曲线44和45在放电过程期间以及在此之后还有一段时间是有(明显)区别的，但所述曲线在放电过程之前和明显在放电过程之后基本上相同地延伸。此外，本发明人认识到，在放电过程之前测得的压力42与在所示局部结束时(t＝120分钟)测得的压力43不同，尽管在t＝120分钟时已发生热平衡并且因此不一定会期待到压力差异。本发明人可将这归因于压力与荷电状态(SOC)的相关性。
图5以放大图示出该关系。在图5中又示出测得的电池单体卷芯或电池单体堆4中的温度(点划线54)和负端子8上的温度(实线55)。但在图5中未示出测得的压力，而是示出两条温度曲线，这两条温度曲线由测得的压力依据上文提到的公式确定。在此，当将在压力与温度之间的关系校准为，使得由压力导出的温度与温度Tint(曲线54)在电池单体充满电的状态中(图5的左侧区域)基本上一致时，点线56示出由压力确定的温度。曲线54和56在左侧区域中一致，而在右侧区域(t＝120分钟)中能看出偏差。换言之，这样由测得的压力导出的温度在电池单体已放电的状态中并不像在电池单体充满电的状态中那样好地与电池单体内部的实际温度相一致。
图5示出另外的曲线57(隔开较大间距，虚线)。该曲线相应于曲线56，但向上移动，即在测得的压力和由测到的压力导出的温度之间的关系被校准为，使得由测得的压力导出的温度在电池单体已放电的状态中与电池单体内部的实际温度Tint(曲线54)良好地相一致(图5的右侧边缘)。但此时又在图5的左侧边缘上看出在曲线57和54之间有偏差(电池单体充满电的状态)。
根据一些实施例，可忽略上文描述的在曲线56与曲线54之间的偏差或在曲线57与曲线54之间的偏差，因为所述偏差在所示出的示例中仅为几度。
在另外的实施例中，考虑到这些偏差，从而由测得的压力导出的温度还更好地与电池单体卷芯或电池单体堆4中的实际温度相适配，尤其是在所有荷电状态上相适配。为此，可采用和在上文描述的对电池单体的使用寿命的考虑中类似的方法。
根据一种实施例，考虑电池的荷电状态，其方式为，例如通过测量列在电池单体的开发期间研究：在电池单体内的压力与温度之间的关系如何与荷电状态有关。由此获取的信息可储存在处理器13中，例如以与荷电状态有关的修正项的形式，例如通过如下方式，即，在上文提到的公式中值c不是常数，而是与电池单体的荷电状态SOC有关。
在另一种实施例中，在按照规定使用电池单体期间在不同的荷电状态中测量电池单体的压力和温度。该温度又可在电池单体中的不同位置处或在电池单体上的不同位置处测量、例如通过负端子8上的温度传感器16或通过气体空间5中的温度传感器17来测量。在此，当温度测量在足够长的冷却阶段之后执行时，即当调整到热平衡时，又得到较准确的结果。由所述测量获取的信息又可储存在处理器13中。
图6针对在图4的上部分中示出的放电过程相比较地示出三个温度曲线。实线65是在负端子8上测得的温度。这相应于图5的线55。图6中的点划线64描绘测得的电池单体卷芯或电池单体堆4中的内部温度Tint。线64相应于图5中的线54。最后，图6也示出隔开较大间距画虚线的线68。线68是在考虑电池的荷电状态的情况下由测得的压力导出的温度T(p)、即依据上文提到的公式算得的带有与荷电状态有关的修正项c(SOC)的温度。修正项c(SOC)先前已如上所述确定。如由图6明显得知的，在由压力导出的温度(曲线68)与电池单体卷芯或电池单体堆中的温度Tint(曲线64)之间的剩余的偏差在电池单体的所有荷电状态上是非常小的。尤其是，曲线68与曲线64的偏差在大多数区域上小于曲线65与曲线64的偏差。
如依据图1至6所描述的，最终可确定存在于电池单体1中的压力p与电池单体的温度T之间的关系并且例如将该关系储存在处理器13中，从而依据该关系可由测得的压力p确定电池单体的温度T(p)。如上文所描述的，该关系可考虑电池单体的荷电状态和/或使用寿命/老化状态。所储存的关系则可被用于监控电池单体，即基于T(p)来监控电池单体，如下文描述的。尤其是，由此可检测电池单体1的故障/问题/临界状态。
为了模拟临界状态，本发明人在试验中在加热板上加热电池单体1。在此，电池单体这样安放在加热板上，使得所述电池单体在单侧被加热。这种单侧加热模拟了如下场景，该场景以类似方式完全可在电池单体的按照规定的使用中以热点(电池单体的强烈的局部加热)形式出现。
图7示出针对所述试验的电池单体的温度的时间变化曲线。在此，在两个不同的部位处测量电池单体的实际温度：曲线71示出测得的电池单体卷芯或电池单体堆4中的温度Tint的变化曲线。曲线72示出测得的电池单体1的负端子8上的温度Tterm的变化曲线。在图7中也绘入水平的线(60℃)。该水平的线是所选择的临界温度Tkrit，电池单体1在正常使用中不应超过该临界温度。最后，在图7中也能看到曲线70。该曲线不是测得的温度，而是示出由测得的压力导出的温度T(p)的时间变化曲线。
如能明显看出的那样，所有三条曲线70、71和72在试验持续时间期间升高。在此，负端子上的温度72比电池单体卷芯或电池单体堆中的温度71升高得更慢。
60℃的临界温度的到达或超过可用于检测临界状态，例如以便提高对电池单体的冷却、导入紧急冷却或打开电池单体的减压阀。如果为此目的使用在端子上测得的温度72，则大致在t＝500秒的时间点才到达临界状态。在使用电池单体卷芯或电池单体堆中的温度71的情况下，大致在t＝410秒的时间点到达临界状态。在该时间点，热点(未示出)上的局部温度已经明显高于临界温度，从而至少在热点的区域中电池单体1已经(永久)受损亦或对应措施、如提高冷却或紧急冷却不再能及时导入。
由压力导出的温度T(p)、即曲线70比其他两个所示的温度升高得明显更快。根据本发明，这可归因于：由于热点上的局部加热而产生的电池单体内的压力比测得的电池单体卷芯或电池单体堆4中、气体空间5中或电池端子上的温度升高得明显更快。此外，可能从一定温度起(例如从约80℃起)在电池单体中已经发生分解过程，所述分解过程也提高气体压力并且因此提高由该气体压力确定的温度。因此，如果根据试验使用曲线70来检测临界状态，则该临界状态将大致在t＝310秒的时间点就已经到达或检测到。由此，在较早的时间点就已经能够导入针对加热原因的对应措施，以便由此减少或避免电池单体1上的(永久)损伤。
在按照规定使用电池单体1时，这种对应措施可例如包括输出警告信号、关断电池单体、减小充电电流(尤其是减小到零)、减小放电电流(尤其是减小到零)、打开阀、加强冷却或导入紧急冷却。
图8示出关于上文描述的试验的时间变化曲线。上部分示出两条曲线81和82。曲线81是在由压力确定的温度T(p)与测得的电池单体卷芯或电池单体堆4中的温度Tint之间的差。换言之，曲线81相应于在图7中的曲线70与71之间的差、即T(p)–Tint。类似地，曲线82是在由测得的压力导出的温度T(p)与测得的负端子8上的温度之间的差，即在图7中的曲线70与72之间的差，即T(p)–Tterm。这些差可在压力p和另外的温度(电池单体卷芯或电池单体堆中的温度或电池端子上的温度)的测量之后例如通过处理器13形成。根据本发明的实施例，所形成的差可被用于检测临界状态或类似物。为此，如在图8的上部分中通过20K的水平的线所示，确定：所确定的温度差ΔT是否到达或超过Tth＝20K的阈值。如果曲线81被用于检测临界状态，则这种临界状态在所示出的示例中大致在t＝330秒时到达或检测到，在使用曲线82的情况下大致在t＝290秒时就已经到达或检测到。因此，这种差的使用在一些情况下能实现比使用由压力导出的温度T(p)、即曲线70在不求差的情况下所允许的情况还更早地检测到临界状态。
图8的下部分再次比较地示出图7中的曲线71和72(在另一个沿竖直方向的尺度上)。依据曲线71和72到达临界状态所在的时间点也比较地在图8的上部分中通过圆圈和正方形表示，所述圆圈和正方形在大致410秒和500秒，即在比曲线82超过20K的温度阈值Tth所在的时间点明显更晚的时间点。
图9在该图的上部分中示出在一种电池单体的充电过程中电压的时间变化曲线(虚线90)和电流的时间变化曲线(实线91)，而在该图的下部分中示出在一种电池单体的充电过程中压力的时间变化曲线(虚线92)和温度的时间变化曲线(实线93)，所述电池单体虽然原理上类似于根据本发明的电池单体1，但所述电池单体不具有根据本发明的监控功能。该充电过程被有意地设计为，使得电池单体受到了过负载。
在图9的下部分中的曲线92和93示出测得的压力和测得的温度。两条曲线在约15分钟之后明显升高。但首先未到达临界压力或临界温度。对此的原因是，临界压力或临界温度确定得相对高，因此，如开头所提到的那样，临界状态的错误检测的数量可保持得小。在所示出的示例中，大致在t＝62分钟的时间点到达临界压力，在该临界压力的情况下，破裂膜打开，由此压力突然下降。但直至该时间点，电池单体已经遭受不可逆的损伤。
与此相对，应用本发明可在t＝15分钟之后不久就已经通报临界状态，从而减少或避免在电池单体上出现损伤。
如上文所提到的，图1示出具有传感器装置的电池单体1。根据本发明的传感器装置没有单独示出。图1中所示的部件中，这种传感器装置尤其是具有压力测量器12和处理器13，可选地也具有温度传感器，如单独的温度传感器16和/或17和/或集成到压力测量器12中的温度传感器15。传感器装置可例如单独地提供以用于之后安装在电池单体1中或安装在电池单体上。
根据一种实施例，处理器13构造为，使得该处理器不仅可由测得的压力确定温度T(p)，而且可计算上文提到的在温度T(p)与例如通过温度传感器16测得的温度Tterm之间的差ΔT(或其数值|ΔT|)。此外，处理器13可执行温度T(p)与临界温度Tkrit的比较和/或上文提及的差与阈值Tth的比较。此外，处理器可设计为，使得该处理器由此确定电池单体1是否处于有故障的状态和/或有问题的状态和/或临界状态并且此外能够可选地促使输出警告信号或实施行动(例如实施对应措施，以便抵抗临界状态)。
图10示出具有根据本发明的方法的方法步骤的一个流程图。在开始100所述方法之后，在步骤101中测量存在于电池单体1内的压力。在步骤102中，基于测得的压力确定电池单体内的温度T(p)，例如通过上文给出的公式来确定。在此，假设：已经确定了在电池单体1内部的压力与温度之间的关系，从而由压力可计算温度。可选地，也考虑电池单体的使用寿命/老化状态和荷电状态(不作为单独的方法步骤示出)。接着，在步骤103中，基于所确定的温度T(p)监控电池单体，尤其是在到达有故障的状态、有问题的状态或临界状态方面进行监控。原则上，然后结束所述方法(步骤104)，但当然可重复所述方法，以便能实现对电池单体1的连续监控。
图11示出具有根据本发明的方法的方法步骤的另一个流程图。这可视作为图10的方法流程的扩展方案或更详细的展示。
在开始110所述方法之后，在步骤111中测量电池单体压力p、例如通过压力测量器12测量电池单体压力。在步骤112中由测得的电池单体压力p计算温度T(p)，例如通过处理器13计算温度，其中，在此可选地，也考虑电池单体的荷电状态(SOC)和/或使用寿命/老化状态。在进一步的步骤113中，将这样确定的温度T(p)与临界温度值Tkrit进行比较。此外，在步骤114中测量电池单体的温度、例如电池单体卷芯或电池单体堆4中的温度、气体空间5中的温度或电池端子上的温度。接着，在步骤115中求得温度差ΔT，即从由测得的压力导出的温度T(p)和在步骤114中测得的温度T求得温度差。接着，在步骤116中将所述温度差(或所述温度差的数值)与温度阈值Tth进行比较。
基于在步骤113和116中例如通过处理器13执行的比较，在步骤117中实施“或”连接或在步骤119中实施“与”连接。如果步骤113中的比较得出：温度T(p)大于或等于临界温度值Tkrit，“或”如果步骤116中的比较得出：差ΔT(或其数值)大于或等于温度阈值Tth，则步骤117中的“或”连接引起：在随后的步骤118中将电池单体1关断。替代于此，在步骤118中也可进行其他行动(警告信号、压力排出等)。否则(即如果温度T(p)小于临界温度值Tkrit“与”差ΔT或其数值小于温度阈值Tth)，则步骤119中的“与”连接引起：在步骤120中将电池单体的状态视作为正常的或通过处理器13分析评价为正常的。
原则上能够以步骤118或120结束所述方法，但当然可重复所述方法，以便能实现对电池单体1的连续监控。
根据该实施例的一种变型方案(未单独示出)，“与”运算符和“或”运算符也可交换，以便减小错误检测的概率。
根据该实施例的另外的变型方案(未单独示出)，基本上仅执行图11的左半部或右半部，从而仅基于温度值T(p)或差ΔT进行电池单体1的监控。但在基于温度差ΔT进行监控时，当然也需要确定温度T(p)，从而最终在此也基于温度T(p)进行监控。在这些变型方案中，取消了“或”连接和“与”连接，从而所述方法在步骤113或116中的比较之后直接引导至步骤118或120。
上面描述了至少一种示例性的实施方式，但要注意的是，存在大量对此的变型方案。在此，也要注意的是，所描述的示例性的实施方式仅构成非限制性的示例并且不旨在由此限制在此描述的装置和方法的范围、可应用性或配置。更确切地说，上文的描述给本领域技术人员提供了用于实施至少一种示例性的实施方式的教导，其中，不言而喻的是，可对在示例性的实施方式中描述的元件在作用原理和布置方面进行不同的改变，而在此不偏离在权利要求书中分别确定的技术方案及其法律上的等效方案。
附图标记列表
1 电池单体
2 壳体/外壁
4 电池单体卷芯或电池单体堆
5 气体空间
6 内部的负端子
7 电连接
8 外部的负端子
9 内部的正端子
10 电连接
11 外部的正端子
12 (气体)压力测量器/压力传感器
13 处理器
14 压力传感器
15 温度传感器
16 温度传感器
17 温度传感器
20、21 在压力与温度之间的线性关系
40 电流变化曲线
41 电压变化曲线
42、43 压力变化曲线
44、45、54至57、64、65、68 温度变化曲线
70至72 温度变化曲线
81、82 温度差的变化曲线
90 电压变化曲线
91 电流变化曲线
92 压力变化曲线
93 温度变化曲线
100至104 方法步骤
110至120 方法步骤

Claims (14)

1.用于监控电池单体(1)的方法，所述方法包括：
-测量第一值，所述第一值相应于存在于所述电池单体(1)内的压力(p)；
-基于所述第一值确定第二值(T(p))，其中，所述第二值(T(p))相应于所述电池单体(1)的温度；以及
-基于所述第二值(T(p))监控所述电池单体(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，依据在所述电池单体(1)的压力与温度之间的关系(20、21)基于所述第一值确定所述第二值(T(p))，其中，在所述电池单体(1)的压力与温度之间的关系(20、21)在所述电池单体(1)处于正常状态期间存在。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述电池单体(1)的压力与温度之间的关系(20、21)考虑所述电池单体(1)的荷电状态和/或所述电池单体(1)的使用寿命和/或老化状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于所述第二值(T(p))监控所述电池单体(1)包括：确定所述第二值(T(p))是否等于第一阈值(Tkrit)或超过第一阈值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
-测量第三值(Tterm)，所述第三值相应于在电池单体(1)中或电池单体上的温度。
6.根据权利要5求所述的方法，其中，通过两个基本上彼此独立的测量来确定所述第一值和所述第三值。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，基于所述第二值(T(p))监控所述电池单体(1)包括：基于在所述第二值(T(p))与所述第三值之间的差(ΔT)监控所述电池单体(1)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，基于在所述第二值(T(p))与所述第三值之间的差(ΔT)监控所述电池单体(1)包括：确定所述差(ΔT)或所述差的数值是否等于第二阈值(Tth)或超过第二阈值。
9.根据权利要求4或8所述的方法，其中，将所述电池单体(1)的状态视作为属于、尤其是配设于：
-第一类别，当所述第二值(T(p))小于所述第一阈值(Tkrit)时；和第二类别，当所述第二值(T(p))等于所述第一阈值(Tkrit)或超过所述第一阈值时；或
-第一类别，当在所述第二值(T(p))与所述第三值之间的差(ΔT)或所述差的数值小于所述第二阈值(Tth)时；和第二类别，当所述差(ΔT)或所述差的数值等于所述第二阈值(Tth)或超过所述第二阈值时；或
-第一类别，当不仅所述第二值(T(p))小于所述第一阈值(Tkrit)，而且在所述第二值(T(p))与所述第三值之间的差(ΔT)或所述差的数值小于所述第二阈值(Tth)时；和在其他情况下第二类别。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一类别是所述电池单体(1)的基本上或充分无故障的状态，并且所述第二类别是所述电池单体(1)的有故障的状态、尤其是有问题的状态、尤其是临界状态。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，如果所述电池单体(1)的状态被视作属于所述第二类别、尤其是配设于所述第二类别，则输出信号、尤其是警告信号和/或实施行动，其中，所述行动优选包括下列步骤中的至少一个步骤：
-关断所述电池单体(1)；
-减小充电电流，以该充电电流给所述电池单体(1)充电，尤其是将充电电流减小到零；
-减小放电电流，所述电池单体(1)以所述放电电流放电，尤其是将放电电流减小到零；
-打开阀；
-提高冷却功率或导入紧急冷却。
12.用于监控电池单体(1)的传感器装置，所述传感器装置包括：
-用于测量第一值的器件(12、14)，所述第一值相应于存在于所述电池单体(1)内的压力；
-用于基于所述第一值确定第二值(T(p))的器件(13)，其中，所述第二值(T(p))相应于所述电池单体(1)的温度；以及
-用于基于所述第二值(T(p))监控所述电池单体(1)的器件(13)。
13.电池单体(1)，包括根据权利要求12所述的传感器装置。
14.车辆，包括根据权利要求13所述的电池单体(1)。
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