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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein entsprechendes Verfahren
zum Bestimmen eines Ladezustands eines Akkumulators.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Bestimmen von Ladezuständen von
Akkumulatoren sehen vor, eine Ausgangsspannung – typischerweise eine Ruhespannung – des Akkumulators
zu messen und den Ladezustand unter Ausnutzung einer bekannten Abhängigkeit
der Ausgangsspannung vom Ladezustand zu ermitteln. Das führt bei
Akkumulatoren mit einer starken Abhängigkeit der Ruhespannung vom
Ladezustand zu befriedigenden Ergebnissen. Bei Akkumulatoren mit
einem an sich wünschenswerten
plateauartigen Ladezustand-Ruhespannungs-Verlauf lassen sich auf
diese Weise jedoch Ladezustände
nur noch sehr ungenau bestimmen. Das gilt z. B. für Lithiumionen-Zellen.
Inbesondere für
eine Ladezustandsbestimmung bei einer Verwendung entsprechender
Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen werden Genauigkeiten gefordert, die
sich mit den beschriebenen herkömmlichen
Verfahren nicht realisieren lassen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein
Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands eines Akkumulators vorzuschlagen,
die den Ladezustand auch dann mit hoher Genauigkeit zu bestimmen
erlauben, wenn eine Ausgangsspannung des Akkumulators keine oder
nur eine sehr geringe Abhängigkeit
vom Ladezustand zeigt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs und durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen
der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
weist demnach außer
einem eine oder mehrere galvanische Zellen umfassenden Akkumulator
eine Messvorrichtung zum Erfassen von Änderungen mindestens einer
nichtelektrischen physikalischen Größe eines aktiven Materials
des Akkumulators auf. Damit ist gemeint, dass die Messvorrichtung
die Änderungen der
genannten physikalischen Größe ohne
Messung einer Ausgangsspannung des Akkumulators und ohne Messung
eines den Akkumulator durchfließenden
Stroms zu erfassen erlaubt. Als aktives Material seien dabei Komponenten
einer galvanischen Zelle bezeichnet, die an mit einem Lade- oder Entladevorgang
verbundenen chemischen Umwandlungsprozessen beteiligt sind. Dabei
kann es sich sowohl um aktives Material handeln, das zu einer negativen Elektrode
gehört
als auch um solches, das einer positiven Elektrode zuzuordnen ist.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die mit einem Laden
oder Entladen des Akkumulators verbundenen elektrochemischen Vorgänge physikalische
Eigenschaften des aktiven Materials in messbarem Umfang und reversibel
beeinflussen, also derart, dass die physikalischen Eigenschaften einen
eindeutigen Schluss auf den Ladezustand zulassen. So lässt sich
der Ladezustand mit vorteilhaft hoher Genauigkeit bestimmen, und
zwar auch im Fall solcher Akkumulatoren, bei denen die Ruhespannung über weite
Bereiche möglicher
Ladezustände zumindest
nahezu konstant bleibt.
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Bei
dem entsprechend vorteilhaften Verfahren, das mit der Erfindung
vorgeschlagen wird, wird dementsprechend ein Wert oder eine Änderung
mindestens einer nichtelektrischen physikalischen Größe eines
aktiven Materials des eine oder mehrere galvanische Zellen umfassenden
Akkumulators erfasst, ohne dass dazu eine elektrische Ausgangsspannung
des Akkumulators oder ein den Akkumulator durchfließender Strom
gemessen wird, wobei mindestens ein dadurch ermittelter Messwert
dem dadurch bestimmten Ladezustand zugeordnet wird.
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Dieses
Verfahren, das mittels einer Anordnung hier beschriebener Art durchführbar ist,
kann auf sehr verschiedene Weise realisiert werden, beispielsweise
indem eine Volumenänderung
oder ein durch die mindestens eine galvanische Zelle ausgeübter mechanischer
Druck oder eine optische Eigenschaft des aktiven Materials gemessen
wird oder indem ein mittels kernspinspektroskopisch erzeugtes Spektrum
des aktiven Materials untersucht wird.
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Die
Vorteile der Erfindung kommen insbesondere zum Tragen, wenn der
Akkumulator ein Lithiumionen-Akkumulator ist, der sich durch einen ausgesprochen
flachen Verlauf einer Abhängigkeit seiner
Ruhespannung vom Lade- oder Entladezustand auszeichnet. Bei derartigen
oder vergleichbaren Akkumulatoren, bei denen Graphit als aktives Material
zum Einsatz kommt, hat eine Änderung
des Ladezustands besonders signifikante Änderungen physikalischer Eigenschaften
zur Folge, weil die beim Laden des Akkumulators zwischen verschiedenen
Kohlenstofflagen des Graphits eingelagerten Ionen insbesondere eine
deutliche Volumenänderung bewirken.
Das Graphit umgibt dabei eine negative Elektrode oder – im Fall
eines mehrere Zellen umfassenden Akkumulators – mehrere negative Elektroden des
Akkumulators und kann auch als Bestandteil dieser Elektroden angesehen
werden.
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Die
Anordnung kann mit einer Auswerteeinheit ausgestattet sein, die
den Ladezustand in Abhängigkeit
von einem von der genannten physikalischen Größe abhängigen Ausgangssignal der Messvorrichtung
ausgibt. Der Ladezustand kann dann in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal
der Auswerteeinheit oder unter Umständen auch direkt durch eine
Anzeigeeinheit ausgegeben werden, die ein Ablesen durch einen Benutzer
erlaubt.
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Da
eine Änderung
des Ladezustands typischerweise eine Volumenänderung des aktiven Materials
zur Folge hat, kann als Messvorrichtung bei einfach realisierbaren
Ausführungsformen
eine Vorrichtung zum Erfassen einer Volumenänderung des aktiven Materials
und/oder, wenn die mindestens eine galvanische Zelle des Akkumulators
mechanisch eingespannt ist, zum Erfassen eines durch die mindestens
eine Zelle ausgeübten
mechanischen Drucks verwendet werden.
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In
einer besonderen Ausführung
kann die Messvorrichtung eine Erregerspule zum Erzeugen eines zeitabhängigen magnetischen
Felds und einen induktiven Sensor zum Erzeugen eines von diesem magnetischen
Feld abhängigen
Signals aufweisen, wobei der z. B. durch eine weitere Spule oder
einen Hall-Sensor gegebene induktive Sensor von der Erregerspule
durch mindestens eine galvanische Zelle des Akkumulators getrennt
angeordnet ist. Eine durch eine Ladezustandsänderung verursachte Volumenänderung
der Zelle, die zu einer Abstandsänderung
zwischen verschiedenen Elektroden der Zelle führt, hat dann eine Änderung
einer Dämpfung
des magnetischen Felds durch die Zelle zur Folge, was einen eindeutigen
Einfluss auf ein im induktiven Sensor erzeugtes Empfängersignal
hat und dadurch vom Empfängersignal
auf den Ladezustand zu schließen erlaubt.
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Um
eine auf einen Ausgangszustand bezogene Volumenänderung oder einen mechanischen Druck
zu erfassen, kann die Messvorrichtung einen mechanischen, induktiven
oder kapazitiven Sensor aufweist, der eine ortsfeste Komponente
und eine bewegliche und mechanisch mit der mindestens einen galvanischen
Zelle verbundene Komponente umfasst. Insbesondere kann die Messvorrichtung
dazu als Wegaufnehmer, realisierbar z. B. mittels eines mechanisch
mit der galvanischen Zelle oder einer der galvanischen Zellen verbundenen
Potentiometers, oder als Kraftmesser mit einem an einer Seite mit
der galvanischen Zelle verbundenen Federelement oder als Kondensator
mit variabler Kapazität
realisiert sein. Denkbar ist auch die Verwendung einer Spule variabler
Induktivität,
was z. B. durch einen Differential-Queranker-Geber realisierbar
ist, bei dem ein Teil eines Ankers der Spule mit der Zelle oder
einer der Zelle verbunden ist. Bei einer anderen Ausführung wiederum
weist die Messvorrichtung dazu einen mechanisch mit der mindestens
einen galvanischen Zelle gekoppelten piezoelekritschen oder piezoresistiven
oder kapazitiven Drucksensor auf.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, die eine Analyse des
aktiven Materials mittels Kernspinresonanzspektroskopie erlaubt,
weist die Messvorrichtung mindestens einen Magneten zur Erzeugung
eines das aktive Material des Akkumulators durchdringenden ersten
magnetischen Felds und mindestens eine Induktionsspule zur Erzeugung
eines ebenfalls das aktive Material durchdringenden hochfrequenten
Wechselfelds auf. Dann kann die Anordnung für eine vorteilhaft zuverlässige Bestimmung des
Ladezustands eine Recheneinheit umfassen, die programmtechnisch
eingerichtet ist, ein von der Messvorrichtung ausgegebenes Spektrum
zu analysieren, indem eine Peakhöhe
und/oder ein Peakintegral mindestens eines Peaks, der durch an mindestens
einer positiven Elektrode gebundene Ionen – z. B. im Graphit dieser Elektrode
eingelagerte Lithiumionen – verursacht
ist, und eine Peakhöhe
bzw. ein Peakintegral mindestens eines anderer Peaks, der durch
gleichartige nicht an der positiven Elektrode gebundene Ionen verursacht
ist, ermittelt und ein Vehältnis
dieser Peakhöhen
bzw. Peakintegrale einem als Ladezustand auszugebenden Wert zugeordnet wird.
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Bei
wieder einer anderen Ausführung
weist die Messvorrichtung der Anordnung eine Lichtquelle zum Bestrahlen
des aktiven Materials mit Licht, z. B. einen durchstimmbaren Laser
mit einem auf das aktive Material gerichteten Lichtleiter, und einen
Photodetektor zum Erfassen des vom aktiven Material gestreuten oder
reflektierten Lichts, z. B. einen durch einen Lichtleiter optisch
mit dem aktiven Material verbundenen Phototransistor oder eine Photodiode,
auf, so dass eine Spektralanalyse des mit dem Photodetektor erfassten
Lichts möglich
ist. Der Ladezustand kann dann aufgrund einer Abhängigkeit
optischer Eigenschaften – insbesondere
einer Farbe – des
aktiven Materials vom Ladezustand bestimmt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 10 erläutert. Es
zeigt
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1 Ein
Diagramm mit zwei beispielhaften Verläufen eines Zusammenhangs zwischen
Ruhespannung und Ladezustand für
zwei verschiedene Akkumulatoren,
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2 eine
schematisch dargestellte Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands
in einer ersten Ausführung
der Erfindung,
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3 eine
schematisch dargestellte Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands
in einer zweiten Ausführung
der Erfindung,
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4 eine
schematisch dargestellte Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands
in einer dritten Ausführung der
Erfindung, wobei eine galvanische Zelle in zwei verschiedenen Ladezuständen abgebildet
ist,
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5 In
einer der 4 entsprechenden Darstellung
eine Anordnung in einer vierten Ausführung der Erfindung,
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6 eine
schematisch dargestellte Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands
in einer fünften
Ausführung
der Erfindung,
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7 eine
schematisch dargestellte Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands
in einer sechsten Ausführung
der Erfindung,
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8 eine
schematisch dargestellte Anordnung zum Bestimmen eines Ladezustands
in einer siebten Ausführung
der Erfindung,
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9 eine
ebenfalls schematisch dargestellte Anordnung in einer achten Ausführung der
Erfindung und
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10 eine
Diagramm, das beispielhaft ein mit der Anordnung aus 9 ermitteltes
Spektrum veranschaulicht, das auf einen Ladezustand eines Akkumulators
zu schließen
erlaubt.
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In 1 ist
ein Ladezustand-Ruhespannungs-Verlauf 1 eines Akkumulators
gezeigt, bei dem eine Ruhespannung nahezu linear und verhältnismäßig stark
von einem Ladezustand abhängt.
Ein im Diagramm als SOC (state of charge) bezeichneter Ladezustand
dieses Akkumulators lässt
sich sehr einfach und verhältnismäßig genau
durch Messung der Ruhespannung bestimmen. Zum Vergleich ist dort auch
ein entsprechender Ladezustand-Ruhespannungs-Verlauf 2 für einen
anderen Akkumulator gezeigt, der plateauförmig ist, weil dieser Akkumulator, bei
dem es sich um einen Lithiumionen-Akkumulator handelt, eine über einen
weiten Bereich nur sehr geringfügig
mit dem Ladezustand sich ändernde
Ruhespannung zeigt. Der Ladezustand dieses Akkumulators und vergleichbarer
Akkumulatoren lässt
sich daher nicht mit befriedigender Genauigkeit in herkömmlicher
Weise bestimmen, was dagegen mit den nachfolgend beschriebenen Anordnungen
aus den 2 bis 9 möglich ist.
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Die
in 2 gezeigte Anordnung weist einen durch eine einzige
Lithiumionen-Zelle gebildeten Akkumulator 3 auf, von dem
außer
einem Zellenkörper auch
einer von zwei Stromableitern 4 zu erkennen ist. Als aktives
Material weist der Akkumulator 3 insbesondere Graphit auf,
das einem negativen Pol des Akkumulators 3 zugeordnet ist.
Als Messvorrichtung weist die Anordnung aus 2 eine auf
einer ersten Seite der Lithiumionen-Zelle angeordnete Erregerspule 5 auf,
mit der ein zeitabhängiges
magnetischen Felds 6 erzeugt wird, sowie einen hier durch
eine weitere Spule realisierten induktiven Sensor 7 zum
Erzeugen eines von diesem magnetischen Feld 6 abhängigen Signals 8.
Der induktive Sensor 7 ist dabei auf einer der ersten Seite
abgewandten Seite der Lithiumionen-Zelle angeordnet und durch diese
von der Erregerspule 5 getrennt.
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Da
das magnetische Feld 6 die Lithiumionen-Zelle durchdringt,
hängt das
vom induktiven Sensor 7 ausgegebene Signal 8 nicht
nur von einem Erregersignal 9 ab, das eine Ansteuerung
der Erregerspule definiert, sondern auch vom Ladezustand des Akkumulators 3,
weil sich ein Volumen des genannten aktiven Materials mit dem Ladezustand ändert – z. B.
beim Laden durch ein Einlagern von Lithiumionen im Graphit des aktiven
Materials vergrößert – und insbesondere
eine damit einhergehende Abstandsänderung zwischen Elektroden
des Akkumulators 3 im Innern des Zellenkörpers auseinandergedrückt oder
zusammengezogen werden. Damit ändert
sich auch eine – durch
Induktion in Zellschichten – Dämpfung des
Felds und folglich dessen Stärke
im Bereich des induktiven Sensors 7 und des dort erzeugten
und durch das Signal 8 veranschaulichten Induktionsstroms.
Durch eine Auswertung des Signals 8 kann daher auf den
Ladezustand des Akkumulators 3 geschlossen werden.
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Bei
dem so realisierten Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands wird
also nicht durch Erzeugung von Induktionsströmen in der den Akkumulator 3 bildenden
Zelle und deren Messung der Ladezustand bestimmt und auch nicht
umgekehrt ein durch einen Strompuls in der Zelle induziertes Magnetfeld
außerhalb
der Zelle vermessen. Vielmehr wird durch die außerhalb der Zelle angeordnete
Erregerspule 5 ein Magnetfeld induziert, das mit dem ebenfalls
außerhalb
der Zelle angeordneten induktiven Sensor 7 bewertet wird,
wobei sich die Zelle zwischen Erregerspule 5 und induktivem
Sensor 7 befindet.
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Vorteilhaft
können
bei dem Verfahren positive und negative Elektroden der Zelle zusammenarbeiten,
denn selbst wenn eine der Elektroden nur eine geringe Ausdehnung
oder Schrumpfung zeigen sollte, können sich die in beschriebener
Weise an den Elektroden erzeugten Effekte gegenseitig unterstützen. Die
Funktion des zur Bestimmung des Ladezustands beitragenden aktiven
Materials kann also auch durch aktive Komponenten beider Elektroden ausgeübt werden.
Schließlich
kann das beschriebene Verfahren auch unterstützend zusätzlich zu herkömmlichen
Verfahren, beispielsweise im Zusammenhang mit einem Stromintegrationsverfahren
zur Lieferung von Stütz-
oder Korrekturwerten, angewandt werden.
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In 2 ist
eine Abwandlung der Anordnung aus 1 gezeigt,
bei der – wie
auch in den weiteren Figuren – wiederkehrende
Merkmale wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und
nicht mehr eingehend beschrieben werden müssen. Der einzige unterschied
zum ersten Ausführungsbeispiel ergibt
sich bei der in 3 gezeigten zweiten Ausführung dadurch,
dass der induktive Sensor 7 hier durch einen Hall-Sensor gegeben ist.
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Auch
eine rein mechanische Messung einer Ausdehnung der Lithiumionen-Zelle – z. B.
durch Messung einer Federkraft – kann
ergänzend
oder anstelle der beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des die
Ausdehnung definierenden Ladezustands verwendet werden. Dabei wird
die Ausdehnung der Zelle z. B. über
ein Federsystem, das für
ein Rückstellen
verantwortlich ist, mit einem Wegaufnehmer – also z. B. einen elektromechanischen
Sensor zur Messung von Längenänderungen – oder über einen Drucksensor
oder Dehnmessstreifen ermittelt. Bei einer einfachen Form eines
Wegaufnehmers wird dabei eine Längendifferenz über einen
mechanisch mit einem beweglichen Teil der Zelle gekoppelten Potentiometer
in eine Spannungsdifferenz übersetzt.
Eine andere Möglichkeit
bieten induktive Sensoren, was nachfolgend anhand eines weiteren
Ausführungsbeispiels
beschrieben wird.
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Dieses
weitere Ausführungsbeispiel
ist in 4 veranschaulicht, wobei der wieder durch eine einzige
Lithiumionen-Zelle gegebene Akkumulator 3 hier zweimal
dargestellt ist, nämlich
links im Bild in einem entladenen Zustand und rechts in einem geladenen
Zustand. Die Lithiumionen-Zelle stützt sich hier links an einer
ortsfesten fläche 10 ab,
während
an einer rechten Seite der Zelle ein zu einer Messvorrichtung gehörender Geber 11 befestigt
ist, der als Differential-Queranker-Geber bezeichnet werden kann. Die Messvorrichtung
bildet hier einen induktiven Sensor, der – wie bei den beiden zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispielsen – zum Erfassen
einer Volumenänderung
des aktiven Materials – verwendet
wird und eine auf einem U-förmigen
Anker 12 angeordnete Spule 13 aufweist. Eine Induktivität der Spule 13 wird
durch eine Bewegung des Gebers 11 verändert, weil der Geber 11 den
Anker 12 ergänzt
und ein durch die Spule 13 und den Anker 12 verlaufender magnetischer
Kreis daher von der Position des Gebers 11 abhängt, mit
der sich auch eine Breite eines Luftspalts 14 zwischen
Geber 11 und Anker 12 verändert. Daher kann die so realisierte
Messvorrichtung als Weglängensensor
fungieren. Die Induktivität
des Sensors kann z. B. durch eine Beschickung der Spule 13 mit
einem Wechselstrom und durch eine Messung ihrer Impedanz bestimmt
werden, wobei ein dadurch erzeugtes Signal mittels einer nicht dargestellten
Auswerteeinheit in einen Ladezustand des Akkumulators 3 umgerechnet
werden kann.
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Ähnlich wie
der induktive Sensor aus 4 kann auch ein kapazitiver
Sensor als Signalgeber verwendet werden. Dazu kann ein Abstand zwischen zwei
Kodensatorplatten (entsprechend einem Abstand zwischen zwei Kühlfinnen
oder einem geänderten
Abstand zwischen zwei Elektroden) oder eine Überdeckung zwischen zwei Kondensatorplatten, von
denen dann eine mit dem Geber 11 verbunden ist, in eindeutiger
Abhängigkeit
vom Ladezustand verändert
werden und der Ladezustand damit durch Messung der Kapazität bestimmt
werden.
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In 5 ist – in einer
der 4 entsprechenden Darstellung – ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden
Anordnung gezeigt, bei der im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen
nicht eine Volumenänderung
des aktiven Materials, sondern ein von der Lithiumionen-Zelle ausgeübter mechanischer
Druck gemessen wird, dessen Wert vom Ladezustand abhängt. Hier
ist der Akkumulator 3 zwischen zwei ortsfesten Flächen 10 und 10' eingespannt,
wobei ein Drucksensor 15 zwischen der Fläche 10 und
der Lithiumionen-Zelle angeordnet ist. Dieser Drucksensor ist hier
durch ein Piezoelement realisiert, anstelle dessen aber auch ein
piezoresistiver Sensor oder ein kapazitiver Drucksensor verwendet
werden kann. Mittels einer Auswerte- und Anzeigeeinheit 16 wird
ein Ausgangssignal des Drucksensors 15 – abgenommen als Spannung an
einer Oberfläche
des Piezoelements – in
einen Ladezustand umgerechnet und letzterer angezeigt.
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Die
beschriebenen Verfahren können
auch auf komplette Batteriespeicher angewandt werden, die mehrere
galvanische Zellen umfassen. Beispiele dafür sind in den 6 und 7 dargestellt,
wobei das Ausfühungsbeispiel
aus 6 einen Drucksensor 15 verwendet und
damit eine Messvorrichtung aufweist, die wie bei dem zuletzt beschriebenen
Ausführungsbeispiel
aus 5 funktioniert, während bei dem Ausführungsbeispiel
aus 7 ein induktiver Sensor der anhand 4 beschriebenen
Art zur Anwendung kommt. Der Akkumulator 3 weist hier einen Stapel
von jeweils sieben Lithiumionen-Zellen 3' auf, die sich im Bild rechts an
einer festen Fläche 10 abstützen, und
links an einer auf Schienen 17 geführten beweglichen Fläche 18.
Dabei bildet die feste Fläche 10 einen
Teil eines Batteriegehäuses 19.
Rückstellfedern 20 dienen
dazu, den Stapel zusammenzuschieben, wenn sich die Volumen der Lithiumionen-Zellen 3' verringern,
und bei einer Volumenvergrößerung nachzugeben.
Die Bestimmung des Ladezustands des Akkumulators 3 erfolgt
jeweils in der zuvor anhand der 5 bzw. 4 beschriebenen
Weise. Dabei ist der Geber 11 im Ausführungsbeispiel aus 7 durch
eine Fortsetzung der beweglichen Fläche 18 gegeben.
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In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
bei dem ein anderer physikalischer Effekt zu Bestimmung des Ladezustands
eines hier geschnitten dargestellten und wieder durch eine Lithiumionen-Zelle
gegebenen Akkumulators 3 ausgenutzt wird. Erkennbar ist
hier eine Elektrode 21 und ein diese umgebendes aktives
Material 22 des Akkumulators 3. Durch die Interkalation
von Lithiumionen in das aktive Material 22 wird das aktive
Material 22 bei einer Entladung des Akkumulators 3 verfärbt. Diese
Verfärbung
wird nun mit einer dazu eingerichteten Messvorrichtung detektiert
und zum Bestimmen des Ladezustands verwendet. Mit einer Lichtquelle 23, bei
der es sich um einen durchstimmbaren Laser handelt, wird das aktive
Material 22 dazu über
einen in eine Zellenhülle 24 geführten und
auf das aktive Material 22 gerichteten Lichtwellenleiter 25 mit
Licht bestrahlt. Ein durch einen Phototransistor gegebener Photodetektor 26 erfasst
das vom aktiven Material 22 gestreute oder reflektierten
Licht, das dazu über
einen weiteren Lichtwellenleiter 25' aus der Zellenhülle 24 herausgeführt und
auf den Phototransistor gelenkt wird. Durch die Durchstimmbarkeit
der Lichtquelle 23 ist die so realisierte Messvorrichtung
für eine
Spektralanalyse des erfassten Lichts eingerichtet, wobei ein mit
dem Photodetektor 26 erfasstes Spektrum mittels einer Auswerteeinheit
ausgewertet werden kann, die den Ladezustand des Akkumulators in
Abhängigkeit
von diesem Spektrum bestimmt und ausgibt. Alternativ kann es genügen, eine
Signalstärke des
durch den Photodetektor 26 gegebenen optischen Sensors
auszuwerten, insbesondere bei einer stark wellenlängenabhängigen Empfindlichkeit
des Phototransistors, der auch durch eine Photodiode ersetzbar ist,
oder im Fall einer geeignet gewählten Wellenlänge der
typischerweise monochromatischen Lichtquelle 23. Je nach
Färbung
und Oberflächenzustand
des typischerweise der Kathode zugeordneten aktiven Materials 22,
die auf den Ladezustand zu schließen erlauben, wird ein aus
dem Lichtwellenleiter 25 austretender Lichtstrahl dann
so von der Oberfläche
des aktiven Materials 22 abgelenkt, dass sich eine Intensität der Strahlung ändert. Der
geänderte Lichtstrahl
wird über
den Lichtwellenleiter 25' weitergeleitet
und seine Intensität
entsprechend vom Photodetektor 26 erfasst. Die Intensität des erfassten Lichtsignals
und des daraus erzeugten elektrischen Signals stellt dann ein Maß für den Ladezustand
dar.
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Ein
letztes Ausführungsbeispiel
wird anhand der 9 und 10 erläutert. Dort
ist ein Akkumulator 3 ähnlicher
Art innerhalb einer Messanordnung angeordnet, die zwei Magneten 27 zur
Erzeugung eines das aktive Material des Akkumulators 3 durchdringenden
ersten magnetischen Felds 28 und einen mit einer Induktionsspule
ausgestatteten und als Sender fungierenden HF-Oszillator 29 zur
Erzeugung eines ebenfalls das aktive Material durchdringenden hochfrequenten
Wechselfelds aufweist. Der HF-Oszillator 29 arbeitet dazu
mit einem HF-Filter 30 und einem Verstärker 31 zusammen.
Ferner ist ein HF-Empfänger 32 vorgesehen.
Das magnetische Feld 28 steht dabei im Wesentlichen senkrecht
auf einem Wechselfeld, dass durch den HF-Oszillator 29 verursacht wird.
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Die
so aufgebaute Messanordnung eignet sich zur Analyse des aktiven
Materials mittels Kernspinresonanzspektroskopie. Dazu umfasst sie
auch eine Recheneinheit 33, die programmtechnisch eingerichtet
ist, ein von der Messvorrichtung ausgegebenes Spektrum zu analysieren,
indem eine Peakhöhe
und/oder ein Peakintegral mindestens eines Peaks, der durch an mindestens
einer positiven Elektrode gebundene Ionen (z. B. im Graphit dieser
Elektrode eingelagerte Ionen) verursacht ist, und eine Peakhöhe bzw.
ein Peakintegral mindestens eines anderer Peaks, der durch gleichartige
nicht an der positiven Elektrode gebundene Ionen verursacht ist, ermittelt
und ein Vehältnis
dieser Peakhöhen
bzw. Peakintegrale einem als Ladezustand auszugebenden Wert zugeordnet
wird.
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Das
Spektrum kann dabei gewonnen werden, indem ein resonanzabhängiger Energiebedarf des
HF-Oszillators detektiert wird oder indem ein vom Akkumulator augehendes
relxierendes Feld nach einem Abschalten des Wechselfeldes vermessen
wird. In 9 ist ein Beispiel für ein so
gewonnenes Spektrum veranschaulicht, in dem unterschiedliche Peaks
auftreten, die jeweils den Lithiumionen an den einzelnen Elektroden
zugeordnet werden können.
So können
z. B. die beiden rechts im Spektrum erkennbaren Gruppen von Peaks
auf die an den beiden Elektroden gebundenen Lithiumionen zurückzuführen sein.
Dabei wird ausgenutzt, dass sich die Lithiumionen an den beiden
Elektroden in unterschiedlichen chemischen Umgebungen befinden,
die die Kernspinresonanzen beeinflussen. Eine Änderung des Ladezustands kann
daher durch eine Veränderung
in diesem Spektrum erkannt werden, so dass eine bestimmte Form des
Spektrums eindeutig einem Ladezustand zugeordnet werden kann. Da
sich Lithiumionen in je nach Ladezustand unterschiedlicher Anzahl
in bzw. an den Elektroden befinden, kann nämlich durch einen Vergleich
der Peakhöhen oder
der Peakintegrale auf den Ladezustand geschlossen werden.
