DE102007063188A1

DE102007063188A1 - Batterie und Verfahren zum Betreiben einer Batterie

Info

Publication number: DE102007063188A1
Application number: DE102007063188A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Ing. Meintschel; Dirk Dr. Dipl.-Ing. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009080141A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1) mit wenigstens einer von einem Gehäuse (4) umgebenen, geschlossenen Einzelzelle (3), wobei mindestens ein Drucksensor (4) am Gehäuse (4) angeordnet ist, der mechanische Beanspruchungen mindestens eines Gehäusebereiches (4.1) misst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit wenigstens einer von einem Gehäuse umgebenen, geschlossenen Einzelzellen und einem im Gehäuse angeordneten Berstbereich. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie.
Unter Batterie im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Einzelzelle oder ein Verbund von Einzelzellen oder eine zu Modulen zusammengefasste Anordnung von Einzelzellen verstanden, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dieses Gehäuse kann sowohl wiederaufladbare als auch nicht wiederaufladbare Zellen umfassen. Insbesondere werden nachfolgend unter Batterien solche Batterien, wie z. B. Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien, verstanden, die Zellen enthalten, bei denen die Gefahr des Berstens und der Freisetzung von gefährlichen Substanzen, wie z. B. flüssige, brennbare Elektrolyte, besteht.
Derartige Batterien können unter starker Belastung oder bei Überlastung (z. B. bei Überladung oder zu hohem Entladestrom, beispielsweise bei einem Kurzschluss), im Schadensfall (z. B. Unfall, Elektrolytzersetzung) oder sogar im Normalbetrieb bei starker Erhitzung von außen in einen thermisch unkontrollierbaren Zustand geraten. Dabei können sie überhitzen, einen gefährlichen inneren Druck (auch Zelleninnendruck genannt) bis hin zum Bersten oder Explodieren der Zelle aufbauen, wodurch gefährliche Stoffe freigesetzt werden. Speziell im Bereich moderner Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien besteht eine besondere Gefährdung, da diese Batterien flüssige, brennbare, organische Elektrolyte enthalten. Diese Batterien können unter ungünstigen Umständen in Brand geraten und stellen ein sicherheitstechnisches Problem dar.
Um Explosionen zu vermeiden, ist es bekannt, die Einzelzellen mit einer gehäuseseitigen Überdrucksicherung zu versehen. Als Überdrucksicherung werden beispielsweise Überdruckventile oder ein oder mehrere Sollbruchstellen oder eine oder mehrere Berstscheiben im Gehäuse angeordnet. Hierdurch kann bei Überschreitung eines bestimmten Zelleninnendrucks dieser kontrolliert abgebaut werden.
Darüber hinaus ist es bekannt, die Batterie durch Überwachung der Zellenspannung und der Kapazität sicher und weitgehend fortlaufend im Bereich ihre Leistungsgrenze zu betreiben. Eine derartige Batterieüberwachung ist aber hinsichtlich der oben dargelegten Risiken begrenzt, so dass ein Bersten nicht vollständig vermieden werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit von einem Gehäuse umgebenden Einzelzellen anzugeben, welche besonders sicher betrieben werden kann und bei welcher ein Aufbrechen oder Berstens der Batterie weitgehend vermieden werden kann. Des Weiteren ist ein ein Aufbrechen bzw. Bersten der Batterie vermeidendes Verfahren zum Betreiben einer Batterie anzugeben.
Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie mit wenigstens einer von einem Gehäuse umgebenen, geschlossenen Einzelzelle ist wenigstens ein Drucksensor vorgesehen, der mechanische Beanspruchungen mindestens eines Gehäusebereiches misst. Durch eine Integration eines Drucksensors in das Gehäuse oder Aufbringen des Drucksensors auf das Gehäuse kann zusätzlich zur üblichen Batterieüberwachung von Batteriekennwerten, wie Zellenspannung, Zellenkapazität, Entladestrom, eine durch mechanische Beanspruchung verursachte Verformung des Gehäuses ermittelt werden. Durch einen insbesondere außen auf das Gehäuse aufgebrachten Drucksensor kann dieser bei bestehenden Batterien einfach nachgerüstet werden. Zudem sind keine Kabeldurchführungen durch das Gehäuse erforderlich. Je nach Form, Größe und Abmessung des Gehäuses können auch mehrere Drucksensoren vorgesehen sein.
Anhand der mittels des Drucksensors ermittelten elastischen Verformungen des Gehäuses im Sensorbereich kann bevorzugt ein zumindest weitgehend die mechanische Beanspruchung verursachender momentaner Zelleninnendruck der Batterie ermittelt werden. Hierzu ist der Drucksensor zweckmäßigerweise mit einer Auswerteeinheit verbunden, die anhand einer aus der mechanischen Beanspruchung ermittelten elastischen Verformung des betreffenden Gehäusebereiches ein die Einzelzelle repräsentierenden Zelleninnendruck bestimmt. Durch die Verwendung eines Drucksensors zur indirekten Zelleninnendruckmessung ist eine besonders kostengünstige und bauraumsparende Messung ermöglicht. Darüber hinaus kann durch die zusätzliche Überwachung des Zelleninnendrucks der Batterie die Betriebssicherheit der Batterie erhöht werden. Insbesondere kann die Batterie weitgehend fortlaufend an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit mit einer Trenneinrichtung verbunden ist, die im Fall der Ermittlung eines Aufbrechens des betreffenden Gehäusebereiches infolge der mechanischen Beanspruchung des Gehäuses durch einen zu hohen Zelleninnendruck die Batterie vom Bordnetz trennt. Hierdurch ist die Betriebssicherheit der Batterie weiter erhöht und insbesondere durch rechtzeitiges Trennen, insbesondere einem Trennen der Batterie vor einem Bersten des Gehäuses ein Austreten gefährlicher Stoffe weitgehend vermieden. Hierzu wird beispielsweise ein Druckschwellwert vorgegeben, bei dessen Überschreiten ein Steuersignal zum Trennen ausgelöst werden kann.
Vorzugsweise ist der Drucksensor auf den betreffenden Gehäusebereich direkt aufgebracht oder in diesen integriert. Beispielsweise ist der Drucksensor aufgeklebt, eindiffundiert oder aufgedampft.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Drucksensor in einem derartigen Gehäusebereich angeordnet, der als gehäuseseitige Überdrucksicherung dient. Beispielsweise ist der Drucksensor im Bereich einer Sollbruchstelle und/oder im Berstbereich, z. B. im Bereich einer dünnen Gehäusewandung oder einer Berstscheibe mit oder ohne Sollbruchstelle, angeordnet.
Vorzugsweise weist der betreffende Gehäusebereich eine Ausnehmung auf, wobei der Drucksensor im Bereich der Ausnehmung außen auf den Gehäusebereich aufgebracht ist. Durch die Ausnehmung ist der betreffende Gehäusebereich insbesondere dünnwandig ausgeführt, so dass der Drucksensor besonders sensibel auf Änderungen des Zelleninnendrucks reagiert. Dabei können die Form und die Abmessungen der Ausnehmung und/oder die Form und Abmessung der Sollbruchstelle bzw. des Berstbereiches an den jeweiligen zu erfassenden Druckbereich angepasst sein.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Drucksensor ein Membransensor. Beispielsweise ist der Drucksensor ein Dehnmessstreifen oder ein Dehnwiderstand ist. Die bei der Durchbiegung eines Membransensors an der Membran auftretenden Dehnungen werden dabei beispielsweise mittels des Dehnmessstreifens oder des Dehnwiderstandes erfasst. Durch die mechanischen Spannungen und die mechanischen Verformungen des Gehäusebereiches und somit des auf den Gehäusebereich aufgebrachten Membransensors ändert sich dessen elektrischer Widerstand. Die Widerstände sind beispielsweise zu einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet. Die erfasste Spannung ist ein Maß für den Druck. Der Membransensor kann beispielsweise als Foliensensor, Dickschichtsensor, Metall-Dünnschicht-Sensor aus beispielsweise Keramik, Metall, insbesondere Stahl, oder Silizium gebildet sein. Auch kann der Drucksensor als ein Kraftsensor, beispielsweise basierend auf einem Weg messenden Prinzip, ausgebildet sein.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Batterie wird eine mechanische Beanspruchung mindestens eines Gehäusebereiches mittels eines Drucksensors gemessen wird.
Dabei wird mittels einer Auswerteeinheit anhand der gemessenen mechanischen Beanspruchung eine elastische Verformung des betreffenden Gehäusebereiches bestimmt, anhand der ein die Einzelzelle repräsentierenden Zelleninnendruck erfasst wird. Durch eine derartige fortlaufende Überwachung des Zelleninnendrucks zusätzlich zur Überwachung herkömmlicher Batteriekennwerte, wie z. B. Kapazität, Batteriespannung, ist ein weitgehend sicherer Betrieb der Batterie ermöglicht. Vorzugsweise wird im Fall der Ermittlung eines Aufbrechens des betreffenden Gehäusebereiches infolge der mechanischen Beanspruchung des Gehäuses die Batterie vom Bordnetz getrennt. Hierzu wird mittels der Auswerteeinheit ein vorgegebener zulässiger Druckschwellwert auf Überschreiten überwacht.
Die Erfindung ist insbesondere für als Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien ausgebildete Batterien, insbesondere Flachzellenbatterien anwendbar. Verglichen mit anderen Batterietypen besitzen sie z. B. hohe Energiedichten, hohe Zellspannungen, geringe Gewichte, gute Leistungsdichten, geringe Selbstentladungen und hohe Zyklisierbarkeiten. Daher werden Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien insbesondere für mobile Anwendungen verwendet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch in perspektivischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform für eine Batterie mit wenigstens einer in von einem Gehäuse umgebenen, geschlossenen Einzelzelle und einem am Gehäuse aufgebrachten Drucksensor,
2 schematisch in Draufsicht die Batterie gemäß 1,
3 schematisch im Querschnitt die Batterie gemäß 2,
4 schematisch in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus 3,
5 schematisch in perspektivischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform für ein Gehäuse einer Batterie, und
6 schematisch in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform für ein Gehäuse einer Batterie.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung eine Batterie 1. Die Batterie 1 ist beispielsweise als Flachbatterie mit Batterieanschlüssen 2.1 und 2.2 ausgeführt. Die in 3 näher dargestellte Einzelzelle 3 ist von einem Gehäuse 4 vollständig umgeben. Bei der Batterie 1 handelt es sich insbesondere um eine Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie.
Das Gehäuse 4 ist beispielsweise aus Metall, insbesondere Stahl, oder einem anderen geeigneten Material, welches insbesondere beständig gegenüber flüssigen organischen Elektrolyten einer Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterie ist.
Auf das Gehäuse 4 ist wenigstens in einem Gehäusebereich 4.1 mindestens ein Drucksensor 5 aufgebracht, der mechanische Beanspruchungen des betreffenden Gehäusebereiches 4.1 misst. Auch können in nicht näher dargestellter Art und Weise mehrere Drucksensoren 5 am Gehäuse 4 angeordnet sein.
Der Drucksensor 5 ist beispielsweise als ein Membransensor, insbesondere als ein Dehnmessstreifen oder ein Dehnwiderstand ausgebildet. Dabei kann der Drucksensor 5 in den Gehäusebereich 4.1 eindiffundiert oder auf diesen aufgedampft oder aufgeklebt sein. Bevorzugt ist der Drucksensor 5 auch für eine Nachrüstung auf bestehende Batterien 1 aufgeklebt. Alternativ zum Membransensor kann der Drucksensor 5 auch als ein Kraftsensor ausgebildet sein, der beispielsweise anhand einer Wegmessung die mechanische Beanspruchung des Gehäuses 4 ermittelt.
Ein mittels des Drucksensors 5 erfasste Druckmesswert MW, welcher ein Maß für die durch die mechanische Beanspruchung elastische Verformung des Gehäusebereiches 4.1 ist, wird anschließend einer Auswerteeinheit 6 zugeführt, die mit dem Drucksensor 5 verbunden ist. Mittels der Auswerteeinheit 6, z. B. einer Datenverarbeitungseinheit oder einem Batteriesteuergerät, wird anhand der ermittelten elastischen Verformung ein diesen zugrunde liegender Zelleninnendruck der Batterie 1 ermittelt.
Der ermittelte Zelleninnendruck der Batterie 1 kann darüber hinaus für einen sicheren Betrieb der Batterie 1 fortlaufend überwacht werden. Beispielsweise wird der momentan ermittelte Zelleninnendruck auf Überschreiten eines vorgebbaren Druckschwellwertes überwacht, der eine große mechanische Beanspruchung des Gehäuses 4 repräsentiert. Wird dieser Druckschwellwert überschritten, so kann mittels der Auswerteeinheit 6 ein Steuersignal S für eine Trenneinrichtung 7 ausgelöst werden, die die Batterie 1 vom Bordnetz trennt. Somit ist sichergestellt, dass bei einer zu hohen mechanischen Belastung der Batterie 1 infolge eines zu hohen Zelleninnendrucks vor einem möglichen Bersten des Gehäuses 4 der Batterie 1 diese rechtzeitig getrennt wird.
Der Drucksensor 5 ist dabei derart ausgeführt, dass auch ein Bersten des Gehäuses 4 beispielsweise durch Trennung der Messschleife des Drucksensors 5 ermittelt werden kann.
2 zeigt die Batterie 1 gemäß 1 in Draufsicht und 3 die Batterie 1 gemäß 2 im Querschnitt sowie 4 einen vergrößerten Ausschnitt der 3 im Berstbereich des Gehäuses 4.
Im Detail ist in der 3 die Einzelzelle 3 gezeigt, die von dem Gehäuse 4 vollständig umgeben ist. Die Einzelzelle 3 kann auch ein Verbund von Einzelzellen oder ein Modul aus einer Anordnung von Einzelzellen, z. B. ein Folienstapel, sein.
Der Drucksensor 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel seitlich auf oder in das Gehäuse 4 im Gehäusebereich 4.1 aufgebracht bzw. eingebracht. Je nach Ausführungsform des Drucksensors 5 kann dieser von außen auf das Gehäuse 4 aufgeklebt oder in dieses eindiffundiert oder eingedampft werden. Auch kann je nach Gehäusematerial, z. B. Kunststoff, der Drucksensor 5 in das Gehäuse 4, insbesondere in die Gehäusewandung integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Drucksensor 5 auch auf der Ober- und/oder Unterseite des Gehäuses 4 an einer anderen geeigneten Stelle angebracht sein. Darüber hinaus können mehrere Drucksensoren 5 an geeigneter Stelle am Gehäuse 4 angeordnet sein.
Bevorzugt ist der Drucksensor 5 im Bereich der größten Verformung des Gehäuses 4 und beispielsweise in einem solchen Gehäusebereich angeordnet, der insbesondere als Überdrucksicherung dient. Im Ausführungsbeispiel ist der Gehäusebereich 4.1 ein so genannter Berstbereich, welcher bei Überschreiten eines bestimmten Zelleninnendrucks für einen kontrollierbaren Abbau des Zelleninnendrucks aufbricht. Zusätzlich oder alternativ kann der Gehäusebereich 4.1 eine Sollbruchstelle oder eine gegenüber der restlichen Gehäusewandung dünnere Gehäusewandung aufweisen.
Wie in 3 zu sehen ist, ist der als Berstbereich ausgebildete Gehäusebereich 4.1 mit einer Ausnehmung 8 versehen, so dass die Gehäusewandung im Gehäusebereich 4.1 besonders dünnwandig ausgebildet ist.
5 zeigt in perspektivischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform für ein Gehäuse 4 der Batterie 1 mit einem Rahmen 9, auf dem in einem dünnwandigen Bereich, insbesondere dem Berstbereich des Gehäuses 4 der Drucksensor 5 aufgebracht ist.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform für ein Gehäuse 4 mit einer Ausnehmung 8 zur Erzielung eines Berstbereiches im Gehäuse 4, wobei der Drucksensor 5 von außen auf die Gehäusewandung der Ausnehmung 8 aufgebracht ist.

1: Batterie
2.1, 2.2: Batterieanschlüsse
3: Einzelzelle
4: Gehäuse
4.1: Gehäusebereich
5: Drucksensor
6: Auswerteeinheit
7: Trenneinrichtung
8: Ausnehmung
9: Rahmen
MW: Druckmesswert
S: Steuersignal

Claims

Batterie (1) mit wenigstens einer von einem Gehäuse (4) umgebenen, geschlossenen Einzelzellen (3), dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (4) mindestens ein Drucksensor (4) vorgesehen ist, der eine mechanische Beanspruchung mindestens eines Gehäusebereiches (4.1) misst.
Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) mit einer Auswerteeinheit (6) verbunden ist, die anhand einer aus der mechanischen Beanspruchung ermittelten elastischen Verformung des Gehäusebereiches (4.1) ein die Einzelzelle (3) repräsentierenden Zelleninnendruck bestimmt.
Batterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) mit einer Trenneinrichtung (7) verbunden ist, die im Fall der Ermittlung eines Aufbrechens des betreffenden Gehäusebereiches (4.1) infolge der mechanischen Beanspruchung die Batterie (1) vom Bordnetz trennt.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) auf den betreffenden Gehäusebereich (4.1) aufgebracht, insbesondere aufgeklebt, eindiffundiert oder aufgedampft ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) in einem derartigen Gehäusebereich (4.1) angeordnet ist, der als gehäuseseitige Überdrucksicherung dient.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der betreffende Gehäusebereich (4.1) mit einer Sollbruchstelle versehen ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der betreffende Gehäusebereich (4.1) eine Ausnehmung (8) aufweist und der Drucksensor (5) im Bereich der Ausnehmung (8) außen auf den Gehäusebereich (4.1) aufgebracht ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) ein Membransensor ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) ein Dehnmessstreifen oder ein Dehnwiderstand ist.
Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) ein Kraftsensor ist.
Verfahren zum Betreiben einer Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit wenigstens einer von einem Gehäuse (4) umgebenen, geschlossenen Einzelzellen (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Beanspruchung mindestens eines Gehäusebereiches (4.1) mittels mindestens eines Drucksensors (5) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Auswerteeinheit (6) anhand der gemessenen mechanischen Beanspruchung eine elastische Verformung des betreffenden Gehäusebereiches (4.1) bestimmt wird, anhand der ein die Einzelzelle (3) repräsentierenden Zelleninnendruck erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall der Ermittlung eines Aufbrechens des betreffenden Gehäusebereiches (4.1) infolge der mechanischen Beanspruchung des Gehäuses (4) die Batterie (1) vom Bordnetz getrennt wird.