DE102009045887A1

DE102009045887A1 - Energiequelle für elektrischen Strom mit Sensoreinrichtung zur Ermittlung eines Ladezustandes der Energiequelle

Info

Publication number: DE102009045887A1
Application number: DE102009045887A
Authority: DE
Inventors: Frank Dallinger; Stefan Kampmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-04-28
Also published as: WO2011047908A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiequelle für elektrischen Strom mit einer Sensoreinrichtung zur Ermittelung eines Ladezustandes der Energiequelle. Die erfindungsgemäße Energiequelle (1) für elektrischen Strom umfasst eine erste Elektrode (2), eine zweite Elektrode (3) und eine Sensoreinrichtung (4a, 4b, 4c), wobei mindestens die erste Elektrode (2) derart ist, dass diese bei Benutzung der Energiequelle ihr Volumen ändert, und die Sensoreinrichtung (4a, 4b, 4c) derart eingerichtet ist, dass die Sensoreinrichtung (4a, 4b, 4c) eine Volumenänderung mindestens der ersten Elektrode (2) zur Ermittelung eines Ladezustandes der Energiequelle (1) erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiequelle für elektrischen Strom, die eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Sensoreinrichtung umfasst, wobei mittels der Sensoreinrichtung der Ladezustand der Energiequelle erfassbar ist.
Stand der Technik
Um die Lebensdauer von Energiequellen wie Batterien, zu denen hier auch Akkumulatoren gezählt werden sollen, optimal zu nutzen, werden solche Energiequellen mit elektronischen Steuerungen ausgerüstet, welche auf den Ladevorgang und/oder Entladevorgang der Energiequelle Einfluss nehmen können. Im Falle von Batterien werden solche Steuerungen als „Batteriemanagement-Systeme” (BMS) bezeichnet. Im Wesentlichen messen diese Systeme einfach zu bestimmende Parameter wie Spannung, Strom und Temperatur. Von besonderem Interesse ist auch der Ladezustand (state of charge, SOC) der Energiequelle.
Der SOC stellt sich in vielen Anwendungen als schwierig zu messender Parameter dar. Es ist bekannt, den SOC über eine Klemmenspannung, den frequenzabhängigen komplexen Innenwiderstand der Energiequelle, beispielsweise mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) oder mittels modellbasierender Beobachtersysteme, das heißt, mathematische Modelle, im Rahmen des BMS zu bestimmen.
Da die Klemmenspannung der Batterie in der Regel mit abnehmendem Ladezustand sinkt, kann über eine Ruhespannungsmessung der Ladezustand bestimmt werden. In Applikationen, welche kontinuierlich im Betrieb sind und/oder mit sehr hohen Entladeraten arbeiten, gibt es allerdings selten Möglichkeiten, die Klemmenspannung bei Nullstrom zu messen. Zudem sind neue Akkumulatortypen, wie beispielsweise auf Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePo) basierend, bekannt, deren Klemmenspannung sich bei Entladung praktisch nicht ändert. Dabei scheidet dieses Messverfahren für diese Energiequellen aus.
Gemäß der elektrochemischen Impedanzspektroskopie wird mittels einer überlagerten Wechselspannung und rückgemessenen Wechselstrom bei verschiedenen Frequenzen der komplexe Innenwiderstand der Energiequelle gemessen und ausgewertet. Dieses Verfahren ist mit einem hohen messtechnischen Aufwand verbunden. In gepulsten Anwendungen, die beispielsweise im Fahrzeugumrichterbetrieb oder bei Handwerkzeugen auftreten, ist dieses Verfahren durch die auftretenden Frequenzanteile des Verbraucherstromes kaum realisierbar. Eine sinnvolle wirtschaftliche Nutzung scheidet damit aus.
Steht keine sinnvolle messtechnische Lösung zur Verfügung, ist es bekannt, über sog. Beobachter, das heißt, mathematische Modelle, welche Zeit, Spannung, Strom und die Momente der Ruhespannung messen, zu verwenden um modellbasiert den SOC zu bestimmen. Ein solches Verfahren ist relativ ungenau und unzuverlässig.
In vielen Applikationen steht damit kein sinnvolles physikalisches Verfahren für die Bestimmung des SOCs zur Verfügung.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Energiequelle für elektrischen Strom, umfassend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Sensoreinrichtung, wobei mindestens die erste Elektrode derart ist, dass diese bei Benutzung der Energiequelle ihr Volumen ändert, und die Sensoreinrichtung derart eingerichtet ist, dass diese eine Volumenänderung mindestens der ersten Elektrode zur Ermittlung eines Ladezustandes der Energiequelle erfasst.
Die Erfindung nutzt für die Bestimmung des Ladezustandes der Energiequelle den Effekt aus, dass sich bei Benutzung der Energiequelle mindestes die erste Elektrode, möglicherweise auch die zweite Elektrode, in ihrem Volumen ändert.
Eine Benutzung der Energiequelle kann sowohl ein Entladevorgang als auch ein Ladevorgang der Energiequelle sein. Eine Volumenänderung mindestens der ersten Elektrode tritt beispielsweise dann auf, wenn von dieser Elektrode Ionen abgeschieden werden oder Ionen sich an dieser Elektrode sich einlagern, wodurch eine stoffliche Änderung an der Elektrode auftritt. Die Sensoreinrichtung erfasst diese Volumenänderung zur Ermittlung des Ladezustandes der Energiequelle.
Die Volumenänderung mindestens der ersten Elektrode kann unmittelbar oder mittelbar durch die Sensoreinrichtung erfasst werden. Vorzugsweise umfasst die Energiequelle ein Übertragungsmittel zum Übertragen der Volumenänderung auf die Sensoreinrichtung. Das Übertragungsmittel kann insbesondere durch einen Elektrolyten gebildet sein, das für den Transport von Ionen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode sorgt.
Die Energiequelle umfasst vorzugsweise eine Kammer, in der sich zumindest teilweise mindestens die erste Elektrode und das Übertragungsmittel befinden, wobei die Kammer für das Übertragungsmittel geschlossen ist. Eine Volumenänderung mindestens der ersten Elektrode führt auf diese Weise zu einer Druckänderung des sich innerhalb der Kammer befindenden Übertragungsmittels und/oder zu einer Verformung der Kammer. Die Druckänderung des Übertragungsmittels und/oder die Verformung der Kammer geben den Ladezustand der Energiequelle wieder. Der Druck innerhalb des Übertragungsmittels oder die Verformung der Kammer lässt sich beispielsweise mittels eines der Sensoreinrichtung zugeordneten Drucksensors bzw. Kraftsensors einfach erfassen. Drucksensoren und Kraftsensoren, die derartige Messungen ermöglichen, sind Stand der Technik und dem Fachmann hinlänglich bekannt.
Die Sensoreinrichtung kann eine Auswerteeinrichtung umfassen, mittels der die von dem Drucksensor und/oder dem Kraftsensor aufgenommenen Messwerte für die Ermittlung eines Ladezustandes ausgewertet werden.
Als Energiequelle kommen grundsätzlich alle Energiequellen für elektrischen Strom in Frage, die zumindest eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfassen, wobei mindestens die erste Elektrode bei Benutzung der Energiequelle ihr Volumen ändert. Die Energiequelle kann beispielsweise als Batterie oder als eine einzelne Batteriezelle, vorzugsweise als Akkumulator, oder als Kondensator, vorzugsweise als elektro-chemischer Doppelschichtkondensator, ausgeführt sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Ausführungsform, die durch Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiequelle, die sich in einem ersten Ladezustand befindet, und
2 die in 1 gezeigte Energiequelle, die sich in einem von dem ersten unterscheidenden zweiten Ladezustand befindet.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiequelle in einer Querschnittsansicht.
1 und 2 stellen unterschiedliche Ladezustände der Energiequelle 1 dar.
Die Energiequelle 1 für elektrischen Strom umfasst eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3. Die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 sind innerhalb einer Kammer 6 der Energiequelle 1 angeordnet. Die erste Elektrode 2 ist über einen Außenkontakt 7, die zweite Elektrode 3 über einen Außenkontakt 8 der Energiequelle 1 elektrisch kontaktierbar.
Des Weiteren umfasst die Energiequelle 1 ein Übertragungsmittel 5. Das Übertragungsmittel 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein flüssiger Elektrolyt. Das Übertragungsmittel 5 hat den Zweck, Ionen zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 zu transportieren. Das Übertragungsmittel 5 befindet sich zusammen mit der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 innerhalb der Kammer 6. Das Übertragungsmittel 5 umgibt die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3. Die Kammer 6 ist für das Übertragungsmittel 5 geschlossen, so dass dieses aus der Kammer 6 nicht austreten kann.
Die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Elektrodenwickel 9, symbolisch dargestellt durch einen Kreis, ausgebildet. Um einen direkten Kontakt zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 zu verhindern, kann ein hier nicht näher dargestellter Separator vorgesehen sein.
Die dargestellte Energiequelle 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführt. Die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 bilden ein Wirtsgitter, welches positive Lithium-Ionen reversibel aufnehmen und abgeben kann. Das Wirtsgitter verändert sich durch die Ein- bzw. Auslagerung der Lithium-Ionen in seinem Volumen. Die Volumenänderung kann von wenigen Prozenten bis zum Mehrfachen des ursprünglichen Volumens betragen.
Die 1 zeigt die entladene Energiequelle 1, 2 die geladene Energiequelle 1. Die erste Elektrode 2 bildet eine Anode aus, die zweite Elektrode 3 eine Kathode. Im geladenen Zustand (siehe 2) herrscht an der Anode ein Überschuss von Elektronen, an der zweiten Elektrode 3, der Kathode, ein Elektronenmangel. Schließt man einen Stromkreis über die Elektroden 2, 3, so können die überschüssigen Elektronen von der ersten Elektrode 2 zur zweiten Elektrode wandern und dabei elektrische Arbeit verrichten. Innerhalb der Energiequelle 1, hier des Akkumulators, wandern positive Lithium-Ionen mittels des Übertragungsmittels 5 von der ersten Elektrode 2 zur zweiten Elektrode 3. Mit der Änderung des jeweiligen Einlagerungsanteils an Lithium-Ionen an den jeweiligen Elektroden 2, 3 ändert sich das Volumen der Wirtsgitter.
Die Energiequelle 1 umfasst eine Sensoreinrichtung, die derart eingerichtet ist, dass die Sensoreinrichtung eine Volumenänderung mindestes der ersten Elektrode 2 zur Ermittelung eines Ladezustandes der Energiequelle 1 erfasst.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Sensoreinrichtung 4a umfasst die Sensorvorrichtung 4a einen Drucksensor, der innerhalb der Kammer 6, beispielsweise an der Innenwand der Kammer 6, angeordnet ist. Ändert sich der Lagezustand der Energiequelle 1 und damit das Volumen der Elektroden 2, 3, führt dies zu einer Druckänderung des sich in der Kammer 6 befindenden Übertragungsmittels 5. Die Druckänderung innerhalb des Übertragungsmittels 5 ist durch den Drucksensor der Sensoreinrichtung 4a erfassbar. Die erfasste Druckänderung gibt die Änderung des Ladezustandes der Energiequelle 1 wieder.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform einer Sensoreinrichtung 4b umfasst die Sensoreinrichtung 4b einen Kraftsensor. Der Kraftsensor ist derart ausgebildet, dass er eine Verformung der Kammer 6 erfasst. Die Verformung der Kammer 6 wird durch eine Volumenänderung innerhalb der Kammer 6 bewirkt, das heißt, durch eine Volumenänderung der Elektroden 2, 3. Die Verformung der Kammer 6 ist in 6 durch eine Strichelung einer verformten Mantelfläche der Kammer 6 dargestellt. Der Kraftsensor der Sensoreinrichtung 4b ist vorzugsweise im Bereich maximaler Verformung der Kammer 6 angeordnet.
Vorzugsweise ist die Kammer 6 gemäß dieser Ausführungsform elastisch verformbar ausgebildet. Dies gewährleistet eine reversible Verformung der Kammer 6 auch bei mehreren Lade- und Entladezyklen.
Gemäß einer dritten Ausführungsform einer Sensoreinrichtung 4c umfasst die Sensoreinrichtung 4c einen Drucksensor. Der Drucksensor 4c ist zwischen einer Außenwand der Kammer 6 und einer Gehäuseaufnahme 10, die teilweise durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, angeordnet. Bei einer Volumenänderung der Elektroden 2, 3, beispielsweise bei einer Volumenzunahme des Wirtsgitters, wird über das Übertragungsmittel 5 und die Kammer 6 eine Kraft F, dargestellt durch Pfeile F, auf den Drucksensor der Sensorvorrichtung 4c ausgeübt, die diesen gegen die Kammeraufnahme 10 presst. Die Höhe des Anpressdruckes spiegelt somit den Ladezustand der Energiequelle 1 wieder.
Die Drucksensoren und Kraftsensoren, mittels denen eine derartige Messung durchführbar ist, sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Auch die Auswertung von mit solchen Sensoren aufgenommenen Messwerten zur Ermittlung eines Ladezustandes der Energiequelle 1 ist dem Fachmann hinlänglich bekannt. Die Sensoreinrichtungen 4a, 4b, 4c können zu diesem Zweck eine geeignete Messelektronik umfassen.
Eine solche Messelektronik kann über eine separate Schnittstelle kontaktiert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, für die Übermittelung von Signalen bereits vorhandene elektrische Leitungen zu verwenden, beispielsweise Leitungen, die die Elektroden 2, 3 kontaktieren. Beispielsweise könnte ein Messsignal der Sensoren als Modulationssignal eingeprägt werden. Dies ermöglicht es, die Messelektronik in bereits vorhandener Elektronik, beispielsweise einer BMS-Elektronik, zu integrieren. Auf diese Weise können Kosten reduziert werden.
Die Erfindung wurde beispielhaft anhand einer Energiequelle 1, die als Akkumulator ausgebildet ist, beschrieben. Alternativ kann die Energiequelle 1 insbesondere auch als elektrochemischer Doppelschichtkondensator ausgebildet sein. Ein derartiger Kondensator ist strukturell ähnlich aufgebaut wie der beschriebene Akkumulator. Der beschriebene Messaufbau ohne weiteres übertragbar.

Claims

Energiequelle (1) für elektrischen Strom, umfassend eine erste Elektrode (2), eine zweite Elektrode (3) und eine Sensoreinrichtung (4a, 4b, 4c), wobei mindestens die erste Elektrode (2) derart ist, dass diese bei Benutzung der Energiequelle ihr Volumen ändert, und die Sensoreinrichtung (4a, 4b, 4c) derart eingerichtet ist, dass die Sensoreinrichtung (4a, 4b, 4c) eine Volumenänderung mindestens der ersten Elektrode (2) zur Ermittelung eines Ladezustandes der Energiequelle (1) erfasst.
Energiequelle nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend ein Übertragungsmittel (5) zum Übertragen der Volumenänderung auf die Sensoreinrichtung (4a, 4b, 4c), wobei das Übertragungsmittel (5) ein Fluid ist.
Energiequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzliche umfassend eine Kammer (6), in der sich zumindest teilweise mindestens die erste Elektrode (2) und das Übertragungsmittel (5) befindet, wobei die Kammer (6) für das Übertragungsmittel (5) geschlossen ist, so dass eine Volumenänderung mindestens der ersten Elektrode (2) zu einer Druckänderung innerhalb des sich in der Kammer (6) befindenden Übertragungsmittels (5) und/oder zu einer Verformung der Kammer (6) führt.
Energiequelle nach Anspruch 3, wobei die Kammer (6) elastisch verformbar ist.
Energiequelle nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Sensoreinrichtung (4a, 4b) einen Drucksensor umfasst, wobei vorzugsweise der Drucksensor innerhalb der Kammer (6) zur Messung des Drucks im Übertragungsmittel oder außerhalb der Kammer (6) zur Messung eines durch die Kammer (6) ausgeübten Druckes angeordnet ist.
Energiequelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Sensoreinrichtung (4c) einen Kraftsensor umfasst, wobei vorzugsweise der Kraftsensor eine Verformung der Kammer (6) erfasst.
Energiequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übertragungsmittel (5) ein Trägermedium zum Transport von Ionen von einer Elektrode zur anderen Elektrode ist, insbesondere ein Elektrolyt ist.
Energiequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (2) eine Anode der Energiequelle (1) ist, und die zweite Elektrode (3) eine Kathode der Energiequelle (1) ist.
Energiequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiequelle (1) als Batterie, vorzugsweise als Akkumulator, oder als Kondensator, vorzugsweise als elektrochemischer Doppelschichtkondensator, ausgebildet ist.
Energiequelle nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Kammer (6) als Batteriegehäuse oder Kondensatorgehäuse ausgebildet ist.