DE102011016526A1

DE102011016526A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102011016526A1
Application number: DE102011016526A
Authority: DE
Inventors: Jochen Sturm; Dipl.-Ing. Nebelsiek Rüdiger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, welcher als Batterieeinzelzelle (2) oder als Batterie (1) mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen (2) ausgebildet ist, wobei mindestens eine Erfassungseinheit (4) vorgesehen ist, mittels welcher eine Gaskonzentration in einem Gehäuse (3) erfassbar ist, in welchem der elektrochemische Energiespeicher anordbar oder angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse (3) verschließbar und im geschlossenen Zustand gasdicht, wobei in dem Gehäuse (3) mindestens ein Metalloxidsensor als Erfassungseinheit (4) angeordnet ist, welcher mit einer Auswerteeinheit (5) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, welcher als Batterieeinzelzelle oder als Batterie mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen ausgebildet ist, wobei mindestens eine Erfassungseinheit vorgesehen ist, mittels welcher eine Gaskonzentration in einem Gehäuse erfassbar ist, in welchem der elektrochemische Energiespeicher anordbar oder angeordnet ist.
Aus der US 2007/0229294 A1 sind ein System zum Nachweisen eines Lecks in einer Batterie und ein Verfahren zum Erfassen eines Lecks einer Batterie bekannt. Das System weist einen Gassensor mit einer gassensitiven Nanopartikelstruktur auf, welche mit bi- oder polyfunktionalen organischen Molekülen verbundene Metallnanopartikel aufweist. Die gassensitive Nanopartikelstruktur ist eine Kombination aus einer Metallnanopartikel/organischen Verbundstruktur und mindestens einer halbleitenden Polymerstruktur oder einer Polymer/Carbon-Black-Verbundstruktur. Diese Strukturen weisen eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber flüchtigen Chemikalien auf. Der Gassensor ist ein Sensor, welcher auf Basis von Analyt-induzierten Änderungen seiner Leitfähigkeit, Kapazität, Induktivität, dielektrischen Permittivität, Polarisation, Impedanz, Wärmekapazität oder Temperatur arbeitet. Das Verfahren sieht vor, dass der gassensitive Gassensor nahe einer Batterie angeordnet wird und Analyt-induzierte Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit, Kapazität, Induktivität, dielektrische Permittivität, Polarisation, Impedanz, Wärmekapazität, oder Temperatur im Gassensor erfasst, die eine fehlerhafte Batterie anzeigen. Wird eine Analyt-induzierte Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, Kapazität, Induktivität, dielektrische Permittivität, Polarisation, Impedanz, Wärmekapazität oder Temperatur im Gassensor erfasst, wird eine Ausgabe eines optischen, eines akustischen Signals und/oder eines Datensignals ausgelöst. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die ermittelte fehlerhafte Batterie automatisch aussortiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, welcher als Batterieeinzelzelle oder als Batterie mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen ausgebildet ist, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer Vorrichtung zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, welcher als Batterieeinzelzelle oder als Batterie mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen ausgebildet ist, ist mindestens eine Erfassungseinheit vorgesehen, mittels welcher eine Gaskonzentration in einem Gehäuse erfassbar ist, in welchem der elektrochemische Energiespeicher anordbar oder angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse verschließbar und im geschlossenen Zustand gasdicht wobei in dem Gehäuse mindestens ein Metalloxidsensor als Erfassungseinheit angeordnet ist, welcher mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.
Der Metalloxidsensor als Erfassungseinheit der Gaskonzentration umfasst einen Keramikchip, auf dem vorteilhafterweise zusätzlich Platinmikrostrukturen angeordnet sein können, und beispielsweise drei gassensitive Metalloxidschichten für reduzierbare sowie leicht und schwer oxidierbare Gase, wobei die Bestandteile zumindest teilweise in einem Sensorgehäuse angeordnet sein können.
Die Funktionsweise des Metalloxidsensors basiert auf einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der gassensitiven Metalloxidschichten bei einer Kontaktierung mit oxidierbaren und/oder reduzierbaren Gasen. Dabei ist ein Messbereich des Metalloxidsensors abhängig von der Gasart, wobei eine Gaskonzentration von einigen Teilen von einer Million, auch als parts per million bezeichnet, als relative Maßangabe erfassbar ist. Daraus ist ein Volumen für eine vorgegebene Zeiteinheit ermittelbar.
Auf diese Weise ist es möglich, mit der Hilfe dieses Sensors schnell und zuverlässig sowie ohne weitere Messapparaturen die Dichtheit des elektrochemischen Energiespeichers zu überprüfen.
Vorteilhafterweise ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks vorgesehen, mit der innerhalb des Gehäuses ein Unterdruck gegenüber einer äußeren Umgebung des Gehäuses erzeugbar ist. Dadurch ist es bei einem Leck im Gehäuse in besonders vorteilhafter Weise möglich, den Vorgang der Dichtheitsüberprüfung zu beschleunigen.
Durch den erzeugten Unterdruck ist, sofern ein elektrochemischer Energiespeicher undicht ist, eine Diffusion von Medien, insbesondere von Elektrolytbestandteilen, beschleunigbar, so dass innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitraumes Aussagen hinsichtlich der Dichtheit getroffen werden können. Dadurch, dass die Dichtheitsüberprüfung vergleichsweise schnell durchführbar ist, ist es nicht nur möglich Zeit, sondern auch Kosten hinsichtlich der Überprüfung der elektrochemischen Energiespeicher auf Unversehrtheit zu sparen.
Bei der Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks handelt es sich vorzugsweise um eine Vakuumpumpe. Mittels einer Vakuumpumpe ist es technisch möglich, ein Vakuum in dem Gehäuse zu erzeugen.
Der Metalloxidsensor ist in vorteilhafter Weise nicht nur bei Unterdruck im Gehäuse, sondern auch unter atmosphärischen Bedingungen einsetzbar, so dass es zur Dichtheitsüberprüfung nicht zwingend erforderlich ist, einen Unterdruck im Gehäuse zu erzeugen.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Prüfung der Dichtheit des elektrochemischen Energiespeichers in besonders vorteilhafter Weise wenigstens während und nach einer Produktion desselben relativ schnell durchführbar, so dass ein defekter und/oder ein undichter elektrochemischer Energiespeicher, dessen Zellgehäuse Elektrolytbestandteile diffundiert, bereits während der Produktion aussortiert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist bei Anordnung einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern jedem Energiespeicher jeweils eine Erfassungseinheit zugeordnet. Dabei handelt es sich bevorzugt um eine Batterie, die eine Mehrzahl von Batterieeinzelzellen umfasst. Somit ist jeder der Batterieeinzelzellen eine Erfassungseinheit zugeordnet, so dass z. B. bei einer erfassten undichten Batteriezelle innerhalb der Batterie mittels der Auswerteeinheit ermittelbar ist, wo genau sich die undichte Batterieeinzelzelle befindet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zusätzlich zur Erfassung einer Gaskonzentration im elektrochemischen Energiespeicher eine Detektionseinheit in einer Öffnung eines Zellgehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet. Diese Detektionseinheit dient einer Erfassung einer Gaskonzentration innerhalb des als Batterieeinzelzelle ausgeführten elektrochemischen Energiespeichers. Dabei sind mittels der Detektionseinheit Zersetzungssubstanzen eines sich in dem Zellgehäuse befindenden Elektrolyts erfassbar, wobei daraus ein Qualitätszustand sowie ein Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers ermittelbar sind.
Insbesondere ist die Kenntnis über den Qualitätszustand und/oder den Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers bei Zusammensetzung einer Batterie aus gebrauchten Batterieeinzelzellen nützlich. Darüber hinaus sind bzw. ist der ermittelte Qualitätszustand und/oder der Alterungszustand eine wichtige Kenngröße bei einem Austausch, einer Reparatur, einer stofflichen Verwertung und/oder einer Entsorgung eines elektrochemischen Energiespeichers.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mittels der Erfassungseinheit leichtflüchtige Lösungsmittelbestandteile eines Elektrolyts erfassbar, wobei es sich bei den leichtflüchtigen Lösungsmittelsbestandteilen um organische Carbonate handelt, sofern der elektrochemische Energiespeicher als Lithuim-Ionen-Zelle oder Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Durch die Erfassung der leichtflüchtigen Lösungsmittelbestandteile können entzündliche und sogar explosive Gaszusammensetzungen im Gehäuse erfasst werden. Werden derartige Gaszusammensetzungen erfasst, ist vorgesehen, dass mittels der Auswerteeinheit zumindest ein Warnsignal generierbar und ausgebbar ist. Dadurch ist eine gesundheitliche Gefahr für ein Personal, welches sich in unmittelbarer Umgebung des überprüften elektrochemischen Energiespeichers befindet, vermindert.
Besonders bevorzugt kann das Gehäuse als Lagereinheit und/oder als Transportmittel für eine Anzahl elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet sein. Somit ist der jeweilige elektrochemische Energiespeicher in vorteilhafter Weise sowohl bei einem Transportvorgang als auch bei der Lagerung hinsichtlich seiner Dichtheit überwachbar. Beispielsweise ist die Lagereinheit als ein Schrank, vorzugsweise ein Brandschutzschrank ausgebildet, wobei in dem Bereich, in welchem die elektrochemischen Energiespeicher angeordnet sind, mindestens eine Erfassungseinheit angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind bzw. ist die Erfassungseinheit und/oder die Detektionseinheit über einen Datenbus mit der Auswerteeinheit verbunden, so dass alle den elektrochemischen Energiespeichern zugeordneten Erfassungseinheiten und/oder Detektionseinheiten gleichzeitig mit der Auswerteeinheit verbunden sind und somit eine Datenübertragung erfasster Signale hinsichtlich der Gaskonzentration durchführbar ist.
Der elektrochemische Energiespeicher ist besonders bevorzugt eine Hochvoltbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug. Eine derartige Hochvoltbatterie dient in solchen Fahrzeugen üblicherweise als Traktionsbatterie.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, welcher als Batterieeinzelzelle oder als Batterie mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen ausgebildet ist, sieht vor, dass mittels mindestens einer Erfassungseinheit eine Gaskonzentration in einem Gehäuse erfasst wird, in welchem der elektrochemische Energiespeicher angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird das Gehäuse zur Dichtheitsüberprüfung gasdicht verschlossen, wobei anschließend in dem Gehäuse mittels mindestens eines Metalloxidsensors als Erfassungseinheit die Gaskonzentration erfasst wird und erfasste Signale einer Auswerteeinheit zugeführt werden, mit der eine Dichtheit eines Zellgehäuses des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt wird.
Vorteilhafterweise wird mittels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks innerhalb des Gehäuses ein Unterdruck gegenüber einer äußeren Umgebung des Gehäuses erzeugt, was die Dichtheitsprüfung erheblich beschleunigt.
Bevorzugt werden mittels der Erfassungseinheit leichtflüchtige Lösungsmittelbestandteile eines Elektrolyts erfasst, wodurch in besonders vorteilhafter Weise entzündliche und darüber hinaus sogar explosive Gaszusammensetzungen erfassbar sind.
Zusätzlich wird zur Erfassung der Gaskonzentration im elektrochemischen Energiespeicher in Form einer Batterieeinzelzelle eine Detektionseinheit in einer Öffnung eines Zellgehäuses des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet. Dadurch ist es möglich, dass die Gaskonzentration innerhalb der Batterieeinzelzelle erfasst wird und somit ein Qualitätszustand und/oder ein Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt werden können bzw. kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in perspektivischer Ansicht, wobei in einem Gehäuse eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern und Erfassungseinheiten zur Dichtheitsüberprüfung angeordnet sind,
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 schematisch einen als Batterieeinzelzelle ausgeführten elektrochemischen Energiespeicher mit einem Überdruckventil,
4 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt des als Batterieeinzelzelle ausgeführten elektrochemischen Energiespeichers mit Überdruckventil, und
5 schematisch eine Ansicht eines vergrößerten Ausschnittes einer Batterieeinzelzelle mit angeordneter Detektionseinheit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dichtheitsüberprüfung einer Batterie 1 und/oder einer Batterieeinzelzelle 2. Dabei ist die Vorrichtung in einer Draufsicht dargestellt.
Die als Messzelle ausgeführte Vorrichtung umfasst ein verschließbar ausgebildetes Gehäuse 3, welches kastenförmig ausgeformt ist. Das Gehäuse 3 ist im verschlossenen Zustand gasdicht ausgebildet, so dass das Gehäuse 3 gegenüber seiner Umgebung hermetisch abgeschlossen ist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Erfassungseinheiten 4, welche mit einer in 2 gezeigten Auswerteeinheit 5 verbunden sind, und eine als Vakuumpumpe ausgeführte Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks 6. Neben der hier dargestellten Ausgestaltung als Vakuumpumpe kann auch eine andere Vorrichtung zur Erzeugung des Unterdrucks verwendet werden, beispielsweise eine Venturi-Wasserstrahlpumpe.
Das Gehäuse 3 weist vier Seitenwände auf, an deren Innenseiten jeweils eine Anzahl von Metalloxidsensoren als Erfassungseinheiten 4 angeordnet ist, wobei an sich gegenüberliegenden Innenseiten die gleiche Anzahl von Erfassungseinheiten 4 angeordnet ist.
An sich gegenüberliegenden ersten Innenseiten sind regelmäßig über die Fläche verteilt 18 Erfassungseinheiten 4 und an sich gegenüberliegenden zweiten Innenseiten sind regelmäßig über deren Fläche verteilt sechs Erfassungseinheiten 4 angeordnet.
Diese in 1 gezeigte Anordnung ist jedoch nur beispielhaft. Die tatsächliche Anordnung der Metalloxidsensoren hängt von der Anzahl der zu prüfenden Einzelzellen 2 sowie der gewünschten räumlichen und örtlichen Auflösung der Messsignale ab und kann daher auch stark von dieser beispielhaften Darstellung abweichen.
Die als Metalloxidsensoren ausgeführten Erfassungseinheiten 4 umfassen ein nicht näher dargestelltes Sensorgehäuse, in welchem ein Keramikchip, welcher in diesem Ausführungsbeispiel Platinmikrostrukturen aufweist, und bevorzugt drei gassensitive Metalloxidschichten zur Erfassung von reduzierbaren sowie leicht und schwer oxidierbaren Gasen angeordnet sind.
An einer Seitenwand des Gehäuses 3 ist eine als Vakuumpumpe ausgeführte Evakuierungspumpe 6 angeordnet, die strömungstechnisch mit einem Innenraum des Gehäuses 3 verbunden ist.
In dem Gehäuse 3 sind eine Batterie 1 und zwei Batterieeinzelzellen 2 als elektrochemische Energiespeicher angeordnet, welche auf ihre Dichtheit überprüft werden sollen.
Die Batterie 1 weist eine Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen 2 auf, welche in einem Batteriegehäuse 1.1 angeordnet sind.
Bei der Batterie 1 handelt es sich vorzugsweise um eine Hochvoltbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug.
Eine jeweilige Batterieeinzelzelle 2 weist ein Zellgehäuse 2.1 auf, in welchem eine in 3 gezeigte Elektrodenanordnung 7 bestehend aus Anodenlagen, Kathodenlagen und sich zwischen diesen befindenden Separatorlagen angeordnet ist.
Zur Überprüfung der Dichtheit der Batterie 1 und der Batterieeinzelzellen 2 sind diese in dem Gehäuse 3 angeordnet, wobei das Gehäuse 3 zur Durchführung der Dichtheitsüberprüfung geschlossen wird.
Die Evakuierungspumpe 6 in Form der Vakuumpumpe wird aktiviert, so dass technisch ein Unterdruck in dem Gehäuse 3 gegenüber seiner äußeren Umgebung erzeugt wird. Dabei entspricht ein Innendruck der Batterie 1 und der Batterieeinzelzellen 2 vorzugsweise zumindest annähernd einem Innendruck des Gehäuses 3 selbst.
Ist eine einzelne Batterieeinzelzelle 2, welche separat oder in dem Batteriegehäuse 1.1 angeordnet ist, undicht, verdampfen durch den mittels der Evakuierungspumpe 6 erzeugten Unterdruck leichtflüchtige Lösungsmittelkomponenten des sich in dem Zellgehäuse 2.1 befindenden Elektrolyts beschleunigt.
Bei den leichtflüchtigen Lösungsmittelkomponenten handelt es sich um organische Carbonate, wie z. B. Ethylencarbonat.
Kontaktieren die leichtflüchtigen Lösungsmittelkomponenten des Elektrolyts mit den an den Innenseiten des Gehäuses 3 angeordneten Erfassungseinheiten 4 in Form der Metalloxidsensoren, ändert sich die Leitfähigkeit der gassensitiven Metalloxidschichten, so dass eine Gaskonzentration erfassbar ist.
Dadurch, dass die Erfassungseinheit 4 bevorzugt drei Metalloxidschichten aufweist, sind drei verschiedene Gase erfassbar.
Erfasste Signale der Gaskonzentration werden der in 2 näher dargestellten Auswerteeinheit 5, die mit den als Metalloxidsensoren ausgeführten Erfassungseinheiten 4 verbunden ist, zugeführt. Bevorzugt sind die Erfassungseinheiten 4 über einen Datenbus D mit der Auswerteeinheit 5 verbunden.
Die Erfassungseinheiten 4 sind an den Innenseiten des Gehäuses 3 angeordnet, wobei die jeweilige Erfassungseinheit 4 die Gaskonzentration in ihrem unmittelbaren Bereich erfasst. Somit kann mittels der erfassten Signale hinsichtlich der Gaskonzentration die Aussage getroffen werden, wo sich innerhalb des Gehäuses 3 eine in 2 gezeigte undichte Batterieeinzelzelle 8 befindet.
Darüber hinaus werden mittels der drei Metalloxidschichten drei verschiedene Gase erfasst, wodurch exakt ermittelt werden kann, um welches Gas es sich hinsichtlich der erfassten Gaskonzentration handelt.
Mittels der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform ist es möglich, sowohl die Batterie 1 als auch die Batterieeinzelzellen 2 beispielsweise in einer Serien- oder Stichprobenprüfung am Ende eines Montagebandes auf ihre Dichtheit zu überprüfen.
Beispielsweise ist die Vorrichtung mit den regelmäßig angeordneten Erfassungseinheiten 4 bei einer Fertigung der Batterie 1 oder der Batterieeinzelzellen 2 einsetzbar. Dabei ist es möglich, zumindest die Fertigung der Batterieeinzelzellen 2 mit Analyse von Fehlerschwerpunkten beim Zusammenbau durchzuführen.
Weiterhin kann mittels der Vorrichtung die Batterie 1 nach einem Kontrolltest, bei welchem die Batterie 1 u. a. mechanisch belastet wird, ohne großen Zeitaufwand nochmals auf die Dichtheit zumindest der Batterieeinzelzellen 2 überprüft werden.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Dichtheitsüberprüfung der Batterie 1 und der Batterieeinzelzellen 2 dargestellt.
Das Gehäuse 3 ist eine Vakuumkammer, so dass in dem Innenraum ein Unterdruck gegenüber der äußeren Umgebung des Gehäuses 3 erzeugbar ist. Beispielsweise wird zur Erzeugung des Unterdruckes die in 1 gezeigte Evakuierungspumpe 6 in Form einer Vakuumpumpe strömungstechnisch mit dem Innenraum verbunden.
In dem Gehäuse 3 ist die Batterie 1 angeordnet, wobei sich in dem Batteriegehäuse 1.1 in diesem Ausführungsbeispiel vierzehn Batterieeinzelzellen 2 befinden.
Innerhalb des Gehäuses 3 sind zwei sich gegenüberliegende, als Metalloxidsensoren ausgeführte Erfassungseinheiten 4 angeordnet, die die Gaskonzentration im Innenraum des Gehäuses 3 erfassen. Die Erfassungseinheiten 4 sind an den zweiten Innenseiten in den Innenraum hineinragend angeordnet und mit der sich außerhalb des Gehäuses 3 befindenden Auswerteeinheit 5 verbunden.
Im Betrieb der Vorrichtung wird im Innenraum des Gehäuses 3 ein Unterdruck erzeugt, so dass eine Diffusion der leichtflüchtigen Lösungsmittelkomponenten im Fall einer undichten Batterieeinzelzelle 8 beschleunigt erfolgt.
Die undichte Batterieeinzelzelle 8 ist in einer ersten Reihe an dritter Stelle von rechts innerhalb des Batteriegehäuses 1.1 angeordnet und weist im Zellgehäuse 2.1 eine Leckage auf. Durch den erzeugten Unterdruck wird die Diffusion der leichtflüchtigen Lösungsmittelkomponenten des Elektrolyts durch die Leckage beschleunigt.
Die aus der Leckage austretenden leichtflüchtigen Lösungsmittelkomponenten werden mittels der Erfassungseinheiten 4 in Form der Metalloxidsensoren erfasst. Dadurch, dass zwei Erfassungseinheiten 4 sich gegenüberliegend im Innenraum des Gehäuses 3 angeordnet sind, ist durch die erfasste Gaskonzentration ermittelbar, in welchem Bereich des Batteriegehäuses 1.1 sich die undichte Batterieeinzelzelle 8 befindet. D. h. die austretenden leichtflüchtigen Lösungsmittelkomponenten werden mittels beider Erfassungseinheiten 4 erfasst, wobei durch einen Vergleich der erfassten Gaskonzentrationen zumindest der Bereich, in dem sich die undichte Batterieeinzelzelle 8 befindet, ermittelbar ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Gehäuse 3 sowohl in der ersten Ausführungsform als auch in der zweiten Ausführungsform als Lagereinheit und/oder als Ladungsträger in Form eines Transportmittels für eine Anzahl von Batterien 1 und/oder Batterieeinzelzellen 2 ausgebildet sein kann. Dabei kann vorgesehen sein, die Batterie 1 und/oder die Batterieeinzelzellen 2 auch unter atmosphärischen Bedingungen auf ihre Dichtheit zu überprüfen.
Beispielsweise kann das Gehäuse 3 unter Beachtung von Brandschutzvorgaben schrankartig als Lagereinheit ausgebildet sein, wobei der Bereich, in dem eine oder mehrere Batterien 1 und/oder Batterieeinzelzellen 2 zur Lagerung angeordnet sind, mit mindestens einer Erfassungseinheit 4 bestückt ist. Die mindestens eine Erfassungseinheit 4 ist mit der Auswerteeinheit 5 verbunden, so dass bei Ermittlung einer entzündlichen oder explosiven Gaszusammensetzung ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgebbar ist und gegebenenfalls Brandschutzmaßnahmen und/oder Löschmaßnahmen, beispielsweise in Form einer Freisetzung eines Bindemittels, automatisch ausgelöst werden.
Sind die Batterie 1 und/oder die Batterieeinzelzellen 2 in einem Raum als Lagereinheit gelagert, wird dieser Raum mittels der Erfassungseinheiten 4 überwacht. Die Erfassungseinheiten 4 sind ebenfalls mit der Auswerteeinheit 5 verbunden, wobei bei Ermittlung einer entzündlichen oder explosiven Gaszusammensetzung ein Warnsignal ausgegeben wird und als eine mögliche Maßnahme beispielsweise Brandschutzmaßnahmen, d. h. Löschmaßnahmen vorzugsweise automatisch ausgelöst werden.
In Bezug auf Transportvorgänge, beispielsweise innerhalb einer Produktionsumgebung ist ein Ladungsträger als Transportmittel vorgesehen, in dem eine vorgegebene Anzahl von Batterien 1 und/oder Batterieeinzelzellen 2 anordbar ist.
Ist in dem Batteriegehäuse 1.1 wenigstens eine als Metalloxidsensor ausgeführte Erfassungseinheit 4 wenigstens zur Überwachung der Batterieeinzelzellen 2 angeordnet, so werden alle Erfassungseinheiten 4 mit einer an dem Ladungsträger angeordneten Auswerteeinheit 5 verbunden. Wird ermittelt, dass eine Batterieeinzelzelle 2 beispielsweise in einer der Batterien 1 undicht ist und/oder sich eine entzündliche oder eine explosive Gaszusammensetzung gebildet hat, werden mittels der Auswerteeinheit 5 ein Warnsignal ausgegeben sowie gegebenenfalls Brandschutzmaßnahmen und/oder Löschmaßnahmen automatisch eingeleitet.
Werden die Batterie 1 und/oder die Batterieeinzelzellen 2 mittels des Ladungsträgers beispielsweise zu einer Produktionsstätte transportiert, können signalisierte Transportschäden mittels der erfassten Signale ausgewertet werden. Zur Qualitätssicherung, beispielsweise bei einer Wareneingangskontrolle, sind die Batterieeinzelzellen 2 in einer Sichtverpackung, auch als Blisterverpackung bezeichnet, eingebracht. Die Sichtverpackung mit den Batterieeinzelzellen 2 wird zur Dichtheitsüberprüfung der Batterieeinzelzellen 2 in dem Gehäuse 3 der Vorrichtung angeordnet und mittels der Evakuierungspumpe 6 ein Unterdruck gegenüber der äußeren Umgebung erzeugt. Ist eine Batterieeinzelzelle 2 undicht, wird die Diffusion von Elektrolytbestandteilen beschleunigt und somit der undichte elektrochemische Energiespeicher 8 ermittelt.
Weist eine Batterie 1, welche beispielsweise als Fahrzeugbatterie verwendet wird, eine Störung, z. B. durch eine Kollision des Fahrzeugs hervorgerufen auf und innerhalb der Batterie 1 ist zumindest eine Erfassungseinheit 4 in Form eines Metalloxidsensors angeordnet, wird erfasst, ob sich leichtflüchtige Lösungsmittelkomponenten im Batteriegehäuse 1.1 befinden. Ergibt die Auswertung der Signale der Erfassungseinheit 4, dass zumindest eine Batterieeinzelzelle 2 undicht ist, werden alle im Batteriegehäuse 1.1 angeordneten Batterieeinzelzellen 2 mittels der Vorrichtung auf ihre Dichtheit überprüft.
Auch kann die Vorrichtung zur Dichtheitsüberprüfung beim Zusammenstellen einer neuen Batterie 1 mittels gebrauchter Batterieeinzelzellen 2 eingesetzt werden.
Die Vorrichtung kann also bei der Produktion, beim Transport sowie bei der Lagerung von Batterien 1 und/oder Batterieeinzelzellen 2 eingesetzt werden.
3 zeigt eine als Rundzelle ausgeführte Batterieeinzelzelle 2 in einer Schnittdarstellung.
Die Batterieeinzelzelle 2 weist, wie oben beschrieben, das Zellgehäuse 2.1 auf, in welchem die Elektrodenanordnung 7 angeordnet ist. Dabei erstreckt sich die Elektrodenanordnung 7 in einem vorgegebenen Bereich in Bezug auf die Längsausdehnung des Zellgehäuses 2.1.
Das Zellgehäuse 2.1 ist kopfseitig mit einem Zelldeckel 2.2 verschlossen, auf welchem ein Plus-Pol 9 und ein Minus-Pol 10 der Batterieeinzelzelle 2 angeordnet sind.
Zwischen der Elektrodenanordnung 7 und dem Zelldeckel 2.2 ist ein Freiraum 11 gebildet, welcher zum Ausgleich eines in der Batterieeinzelzelle 2 entstehenden zulässigen Überdrucks dient. Neben den Polen 9, 10 der Batterieeinzelzelle 2 ist ein Überdruckventil 12 am Zelldeckel 2.2 angeordnet, welches strömungstechnisch sowohl mit dem Freiraum 11 als auch mit einer Umgebung der Batterieeinzelzelle 2 verbunden ist.
Beispielsweise entsteht der Überdruck in der Batterieeinzelzelle 2 aufgrund einer in dem Zellgehäuse 2.1 bei Laden und Entladen der Batterieeinzelzelle 2 entstehenden Wärme. Reicht der Freiraum 11 zum Ausgleich des in dem Zellgehäuse 2.1 vorherrschenden Überdrucks nicht aus, d. h. erhöht sich der Überdruck für das Zellgehäuse 2.1 unzulässig, öffnet sich das Überdruckventil 12, so dass der Überdruck abgebaut wird.
Darüber hinaus befinden sich im Zellkopf der Batterieeinzelzelle 2 Abstandselemente 13, welche beispielsweise bei einer Deformation des Zellgehäuses 2.1 verhindern, dass die Elektrodenanordnung 7 mit dem Zelldeckel 2.2 kontaktiert. Treten Zelldeckel 2.2 und Elektrodenanordnung 7 in Kontakt, so kann ein Kurzschluss innerhalb des Zellgehäuses 2.1 auftreten. Darüber hinaus dienen die Abstandselemente 13 dazu, dass ein Volumen des Freiraumes 11 zwischen der Elektrodenanordnung 7 und dem Zelldeckel 2.2 vorgegeben ist und nicht unterschritten wird.
Kann der in dem Zellgehäuse 2.1 vorherrschende Überdruck mittels des Freiraumes 11 und mittels des Überdruckventils 12 nicht abgebaut werden, besteht die Gefahr, dass die Batterieeinzelzelle 2 birst, also das Zellgehäuse 2.1 plötzlich versagt. Beispielsweise kann das Zellgehäuse 2.1 dabei aufgrund des vorherrschenden Überdrucks zerreißen.
Um zu vermeiden, dass das Zellgehäuse 2.1 unkontrolliert birst, ist in einen Zellboden 2.3 eine so genannte Berstöffnung eingebracht. Die Berstöffnung ist mit einem nachgiebigen Verschlusselement 14, z. B. einer Membran, verschlossen, wobei das Verschlusselement 14 derart ausgebildet ist, dass sich dieses bei einem bestimmten im Zellgehäuse 2.1 auftretenden Druck öffnet, so dass der Überdruck abgebaut wird.
In 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Zellkopfes gemäß 3 dargestellt.
5 zeigt den vergrößerten Ausschnitt des Zellkopfes gemäß 4, wobei der Zellkopf im Vergleich zu 4 um 90° nach links gedreht ist.
In den Zelldeckel 2.2 ist eine Öffnung eingebracht, in welcher eine Detektionseinheit 15 in Form eines Metalloxidsensors angeordnet ist. Eine Detektionsfläche der Detektionseinheit 15 befindet sich dabei innerhalb des Zellgehäuses 2.1, wobei die Detektionsfläche in den Freiraum 11 zum Ausgleich des Überdrucks hineinragt.
Die Detektionseinheit 15 ist mit einer Steuereinheit 16 verbunden, welcher erfasste Signale der Detektionseinheit 15 zuführbar sind.
Die Detektionsfläche ragt in den Freiraum 11 hinein, so dass sich eine in dem Freiraum 11 befindende Gaskonzentration erfasst wird. Dabei werden Stickoxide, Stickstoffmonoxid, Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid als Elektrolyt-Zersetzungssubstanzen von der Detektionseinheit 15 erfasst. Die erfassten Signale werden der Steuereinheit 16 zugeführt und ausgewertet. Beispielsweise sind in der Steuereinheit 16 Schwellwerte hinterlegt, welche mit einem jeweiligen Anteil eines Gases in der erfassten Gaskonzentration verglichen werden. Anhand des Vergleiches wird ein Qualitätszustand der Batterieeinzelzelle 2 ermittelt. Zusätzlich oder alternativ kann ein Alterungszustand der Batterieeinzelzelle 2 ermittelt werden.
Die Kenntnis über den Qualitätszustand und/oder den Alterungszustand der Batterieeinzelzelle 2 stellt einen wichtigen Faktor z. B. bei einem Tausch, bei einer stofflichen Verwertung und bei einer Entsorgung der Batterieeinzelzelle 2 dar.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
1.1: Batteriegehäuse
2: Batterieeinzelzelle
2.1: Zellgehäuse
2.2: Zelldeckel
2.3: Zellboden
3: Gehäuse
4: Erfassungseinheit
5: Auswerteeinheit
6: Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks
7: Elektrodenanordnung
8: undichte Batterieeinzelzelle
9: Plus-Pol
10: Minus-Pol
11: Freiraum
12: Überdruckventil
13: Abstandselement
14: Verschlusselement
15: Detektionseinheit
16: Steuereinheit
D: Datenbus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007/0229294 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, welcher als Batterieeinzelzelle (2) oder als Batterie (1) mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen (2) ausgebildet ist, wobei mindestens eine Erfassungseinheit (4) vorgesehen ist, mittels welcher eine Gaskonzentration in einem Gehäuse (3) erfassbar ist, in welchem der elektrochemische Energiespeicher anordbar oder angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) verschließbar und im geschlossenen Zustand gasdicht ist, und dass in dem Gehäuse (3) mindestens ein Metalloxidsensor als Erfassungseinheit (4) angeordnet ist, welcher mit einer Auswerteeinheit (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks (6) vorgesehen ist, mit der innerhalb des Gehäuses (3) ein Unterdruck gegenüber einer äußeren Umgebung des Gehäuses (3) erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern jedem Energiespeicher jeweils eine Erfassungseinheit (4) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung einer Gaskonzentration in einem elektrochemischen Energiespeicher eine Detektionseinheit (15) in einer Öffnung eines Zellgehäuses (2.1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinheit (4) leichtflüchtige Lösungsmittelbestandteile eines Elektrolyts erfassbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) als Lagereinheit und/oder als Transportmittel für eine Anzahl elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (4) und/oder die Detektionseinheit (15) über einen Datenbus (D) mit der Auswerteeinheit (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher eine Hochvoltbatterie für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug ist.
Verfahren zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, welcher als Batterieeinzelzelle (2) oder als Batterie (1) mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen (2) ausgebildet ist, wobei mittels mindestens einer Erfassungseinheit (4) eine Gaskonzentration in einem Gehäuse (3) erfasst wird, in welchem der elektrochemische Energiespeicher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) gasdicht verschlossen wird und dass in dem Gehäuse (3) mittels mindestens eines Metalloxidsensors als Erfassungseinheit (3) die Gaskonzentration erfasst wird und dass erfasste Signale einer Auswerteeinheit (5) zugeführt werden, mit der eine Dichtheit des elektrochemischen Energiespeichers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks (6) innerhalb des Gehäuses (3) ein Unterdruck gegenüber einer äußeren Umgebung des Gehäuses (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinheit (4) leichtflüchtige Lösungsmittelbestandteile eines Elektrolyts erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung einer Gaskonzentration im elektrochemischen Energiespeicher eine Detektionseinheit (15) in einer Öffnung eines Zellgehäuses (2.1) des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet wird.