DE102011112641B4 - Verfahren zum Prüfen einer Lithium-lonen-Batteriezelle auf Funktionsfähigkeit - Google Patents

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Abstract

Akustisches Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) auf einen die Funktionsfähigkeit beeinträchtigenden mechanischen Defekt, bei welchem im Rahmen eines Messvorgangs mit einem Schlagwerkzeug (12) genau einmal auf eine Stelle (14a, 14b, 14c) auf einem Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle geschlagen wird und der dadurch induzierte Schall (16) erfasst wird, und bei welchem der erfasste und induzierte Schall einer Analyse unterzogen wird, wobei der Lithium-Ionen-Batteriezelle ein Amplitudenbild (20) zugeordnet wird, welches einer Bildanalyse unterzogen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle auf Funktionsfähigkeit.
  • Man begnügt sich bisher damit, die Lithium-Ionen-Batteriezellen elektrisch zu prüfen. So wird beispielsweise die Impedanz zwischen den beiden Polen der Lithium-Ionen-Batteriezellen gemessen und mit einer Soll-Impedanz verglichen.
  • Jedoch können auch mechanische Defekte zum Beispiel in Form von Dellen, Schrammen, Kratzern oder Haarrissen an den (Aluminium-)Gehäusen auftreten, und derartige mechanische Defekte sind nur sehr schwer unter hohem Aufwand elektrisch nachweisbar. Möglicherweise müssten die Lithium-Batterie-Zellen mit solchen mechanischen Defekten eigentlich als nicht ausreichend funktionsfähig eingeordnet werden, da eine Langzeitstabilität für den Dauerbetrieb nicht gewährleistet ist.
  • Die JP 2010 071 945 A beschreibt ein Verfahren, bei welchem mittels eines Sensors akustische Signale erfasst werden, welche von einer Lithium-Ionen-Batteriezelle im Betrieb ausgehen. Die akustischen Signale werden erzeugt, indem mittels einer Spannungsquelle die elektrischen Pole der Batteriezelle mit einer Spannung beaufschlagt werden.
  • Auf dem Gebiet von Bleisäurebatterien ist es aus der US 6,520,018 B1 bekannt, mit Hilfe eines Transducers Ultraschallwellen in die Batterien einzukoppeln und ein Echo zu erfassen, um auf interne Defekte der Bleisäurebatterien zurückzuschließen.
  • Die JP H08 287 962 A beschreibt eine Blei-Säure-Batterie, deren elektrischer Anschluss mittels eines Hammers mechanisch angeregt wird. Das Abklingen der Vibration wird mit einem Fourier-Analysator erfasst.
  • Auch gemäß der JP H06 - 27 086 A kann ein Anschluss (Pol) einer Batterie mit Hilfe von Ultraschallwellen untersucht werden. Schließlich offenbart die JP2005291832A ein Verfahren zum Diagnostizieren einer Beschädigung einer Batterie mit Hilfe von Ultraschallwellen, wobei sich das Verfahren auf ermittelte Kapazitäten bezieht.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Prüfen einer LithiumIonen-Batteriezelle auf Funktionsfähigkeit zuverlässiger auszugestalten.
  • Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass das Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle auf Funktionfähigkeit auf akustischem Wege erfolgt.
  • Die akustische Prüfung kann zu der elektrischen Prüfung hinzutreten, so dass ein Weg zur Verfügung steht, insbesondere mechanische Defekte zu erkennen und Lithium-Ionen-Batteriezellen als nicht ausreichend funktionsfähig („nicht in Ordnung“) einzuordnen, um zu verhindern, dass solche Lithium-Ionen-Batteriezellen in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, obwohl sie für den Langzeitbetrieb nicht geeignet sind.
  • Bei der Erfindung wird im Rahmen eines Messvorgangs mit einem Schlagwerkzeug (zum Beispiel einem Klöppel) genau einmal auf eine Stelle auf der (Oberfläche der) Lithium-Ionen-Batteriezelle geschlagen und es wird der dadurch induzierte (hervorgerufene) Schall erfasst. Ferner wird der erfasste induzierte Schall einer Analyse unterzogen. Durch das Schlagen mit dem Schlagwerkzeug wird insbesondere ein definierter Zustand hergestellt. Die Analyse kann sich auch noch in den Ultraschallbereich hinein erstrecken.
  • Im Rahmen der Analyse wird der Lithium-Ionen-Batteriezelle ein Amplitudenbild zugeordnet, das einer Bildanalyse unterzogen wird. Man erzeugt somit zunächst einmal ein Bild, in dem dargestellt ist, welche Bereiche der Lithium-Ionen-Batteriezellen zu Schwingungen mit besonders hoher Amplitude und besonders geringer Amplitude angeregt werden; beispielsweise kann ein solches Bild mehrfarbig sein. Es kann auch eine dreidimensionale Darstellung anstelle eines zweidimensionalen Bilds bereitgestellt werden. Durch die Bildanalyse kann dann ein Sollzustand mit einem Istzustand verglichen werden. Beispielsweise wird bei Erkennen eines Gebiets, das im Soll-Zustand eine hohe Amplitude hat und im Istzustand eine niedrige Amplitude, auf einen mechanischen Defekt zurückgeschlossen werden können. Andere Analysemethoden sind möglich.
  • Bei einer bevorzugten Ausbildung dieser Ausführungsform werden mehrere Messvorgänge durchgeführt, es wird nämlich mit dem Schlagwerkzeug auf mehrere Stellen auf der Lithium-Ionen-Batteriezelle jeweils ein Schlag gegeben. Es wird der dadurch induzierte Schall jeweils erfasst und einer Analyse unterzogen. Durch das Anregen der Lithium-Ionen-Batteriezelle zu Schwingungen ausgehend von verschiedenen Stellen lässt sich ein besonders exaktes Diagnosebild von den Eigenschaften der Lithium-Ionen-Batteriezellen machen.
  • Die genannte Analyse kann eine Schnelle Fourier-Transformation und alternativ oder zusätzlich eine Wavelet-Transformation einsetzen bzw. verwenden.
  • Der induzierte Schall wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels eines freistehenden Mikrofons und/oder eines Körperschallmikrofons erfasst. Mikrofone sind in besonderem Maße geeignet, über ein breites Frequenzband Schall zu erfassen. Mikrofone sind auch leicht im Raum aufstellbar bzw. Körperschallmikrofone an den Lithium-Ionen-Batteriezellen befestigbar.
  • Alternativ hierzu können auch Dehnungsmessstreifen und/oder Beschleunigungssensoren eingesetzt werden, je nach einer nachfolgenden Analyse können die damit erzielten Messergebnisse als besonders aufschlussreich angesehen werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der:
    • 1 in schematischer Art und Weise eine Anordnung zeigt, wie eine Lithium-Ionen-Batteriezelle geprüft wird; und
    • 2 ein Anregungsbild zu einer Lithium-Ionen-Batteriezelle zeigt.
  • Zur Prüfung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 auf Funktionsfähigkeit wird mit einem Schlagwerkzeug, das in der 1 als Hammer 12 symbolisiert ist, aber naturgemäß auch anders aussehen kann, etwa die Form eines Klöppels haben kann, auf eine erste Stelle 14a auf der Oberfläche der Lithium-Ionen-Batterie 10 geschlagen. Hierdurch wird die Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 in Schwingungen versetzt, und Schall 16 wird abgegeben, der von einem Mikrofon 18 erfasst wird. Nachfolgend wird mit Hilfe des Schlagwerkzeuges 12 auf eine andere Stelle 14b auf der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 geschlagen, und abermals wird der Schall 16 mit Hilfe des Mikrofons 18 erfasst. Schließlich wird noch auf eine dritte Stelle 14c mit dem Schlagwerkzeug 12 geschlagen, und der Schall 16 wird abermals mit Hilfe des Mikrofons 18 erfasst.
  • Mit Hilfe einer Schnellen Fourier-Transformation (FFT) oder auch einer Wavelet-Analyse lässt sich auf diese Weise eine voll funktionsfähige Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 von einer solchen unterscheiden, die in irgendeiner Form einen mechanischen Defekt aufweist, der die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnte.
  • Es kann auch ein Amplitudenbild 20 (2) oder allgemein ein Akustikbild gewonnen werden, das zur Oberfläche der Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 veranschaulicht, in welchem Ausmaß deren einzelne Stellen in Schwingungen versetzt werden; es wird somit ein Amplitudenbild zur Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 dargestellt, in dem die Amplituden durch unterschiedliche Farbkodierung oder Grauwerte dargestellt sind. Das in 2 gezeigte Amplitudenbild kann aufgrund einer Mittelung von einzelnen Amplitudenbildern hervorgehen, wie sie bei Schlägen auf die einzelnen Stellen 14a, 14b und 14c gewonnen werden. Nun wird das Ist-Amplitudenbild mit einem Soll-Amplitudenbild verglichen, und aufgrund des Vergleichs kann auf die Funktionsfähigkeit zurückgeschlossen werden; beispielsweise wenn ein Bereich, der größer als eine bestimmte Teilfläche der Oberfläche ist, Werte aufweist, die über ein bestimmtes Maß hinaus (nach Schwellwertkriterium) von den Soll-Werten abweichen, kann die Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 nicht mehr als ausreichend funktionsfähig angesehen werden.

Claims (5)

  1. Akustisches Prüfen einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) auf einen die Funktionsfähigkeit beeinträchtigenden mechanischen Defekt, bei welchem im Rahmen eines Messvorgangs mit einem Schlagwerkzeug (12) genau einmal auf eine Stelle (14a, 14b, 14c) auf einem Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle geschlagen wird und der dadurch induzierte Schall (16) erfasst wird, und bei welchem der erfasste und induzierte Schall einer Analyse unterzogen wird, wobei der Lithium-Ionen-Batteriezelle ein Amplitudenbild (20) zugeordnet wird, welches einer Bildanalyse unterzogen wird.
  2. Akustisches Prüfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Schlagwerkzeug (12) auf mehrere Stellen (14a, 14b, 14c) auf der Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) jeweils ein Schlag gegeben wird und der dadurch induzierte Schall (16) jeweils erfasst und einer Analyse unterzogen wird.
  3. Akustisches Prüfen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse eine Schnelle Fourier-Transformation und/oder eine Wavelet-Transformation einsetzt.
  4. Akustisches Prüfen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der induzierte Schall (16) mittels eines freistehenden Mikrofons (18) und/oder eines Körperschallmikrofons erfasst wird.
  5. Akustisches Prüfen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der induzierte Schall mittels eines Dehnungsmessstreifens an der Lithium-Ionen-Batteriezelle und/oder eines Beschleunigungssensors an der Lithium-Ionen-Batteriezelle erfasst wird.
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