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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher, insbesondere eine Hochleistungsbatterie oder eine Hochenergiebatterie, bei dem Vorkehrungen getroffen sind, um eine temperaturbedingte Degradation von Eigenschaften des Energiespeichers oder einen sicherheitskritischen Zustand erkennen zu können. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren sowie eine entsprechende Überwachungsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Energiespeicher wie z.B. Batterien, insbesondere wiederaufladbare Batterien, welche teilweise auch als Akkumulatoren bezeichnet werden, werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Beispielsweise sollen zukünftige elektrisch betriebene Fahrzeuge ihre Energie aus solchen Batterien beziehen.
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Es wurde beobachtet, dass insbesondere Batterietypen und kapazitive Speicher, die zur Speicherung hoher Energiedichten ausgelegt sind oder eine hohe Leistungsabgabe erreichen können, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Metall-Batterien, alle denkbaren andere elektrochemischen Speichersystemen, Doppelschichtspeichersysteme und Kombinationen daraus, empfindlich gegenüber erhöhten Temperaturen reagieren können.
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Beispielsweise wurde beobachtet, dass Batterien bei erhöhten Temperaturen eine verstärkte Degradation zeigen, d.h. schneller altern, was sich beispielsweise in einer verringerten Speicherkapazität und/oder einer verringerten Leistungsabgabefähigkeit ausdrücken kann.
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Herkömmlich wird eine derartige Alterung oder Degradation der Batterieeigenschaften allgemein mit einer elektrischen Überprüfung der Batterie ermittelt. Insbesondere bei großen Batterien, bei denen sich viele einzelne Zellen, beispielsweise mehr als 96 Zellen, in einem gemeinsamen Batteriepack befinden, können entsprechende Tests zeitaufwendig sein und eine aufwendige Testinfrastruktur voraussetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es insbesondere ermöglicht sein, temperaturbedingte Degradationen oder sicherheitskritische Zustände eines Energiespeichers einfach erkennen zu können.
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Erfindungsgemäß weist der Energiespeicher eine von außen optisch beobachtbare Indikatorfläche auf, welche abhängig von einer Temperatur des Energiespeichers wenigstens eine optische Eigenschaft ändert.
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Eine Idee kann hierbei darin gesehen werden, dass der Energiespeicher beispielsweise an einer seiner Oberflächen mit einer Schicht versehen ist, welche abhängig von der Temperatur des Energiespeichers physikalische Eigenschaften ändert und diese physikalischen Eigenschaften mit optischen Mitteln detektiert werden können.
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Unter den Begriffen „von außen optisch beobachtbar“ und „optische Eigenschaft“ kann hierbei verstanden werden, dass die Indikatorfläche mit Materialien ausgestattet ist, die ihre physikalischen Eigenschaften abhängig von der Temperatur in einer Weise ändern, dass dies von einem externen Beobachter oder einer externen Überwachungsvorrichtung mit Hilfe optischer Mittel beobachtet werden kann. Die optischen Eigenschaften können sich dabei temperaturabhängig derart ändern, dass eingestrahlte oder emittierte elektromagnetische Strahlung, beispielsweise im visuell wahrnehmbaren, infraroten und/oder ultravioletten Spektralbereich, abhängig von den aktuell herrschenden optischen Eigenschaften der Indikatorfläche beeinflusst wird und die derart in der Strahlung bewirkte Beeinflussung von außen optisch beobachtet werden kann.
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Die Tatsache, dass manche Materialien ihre optischen Eigenschaften abhängig von der vorherrschenden Temperatur ändern, kann somit bei einer Anwendung für Batterien oder andere Energiespeicher dahingehend vorteilhaft genutzt werden, dass die aktuelle Temperatur der Batterie oder eines Bereichs der Batterie mit Hilfe der Indikatorfläche durch Beobachten von deren optischen Eigenschaften von außen überwacht werden kann.
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Für eine Überwachung der Temperatur des Energiespeichers und damit indirekt der temperaturbedingten Degradationserscheinungen des Energiespeichers braucht der Energiespeicher bzw. dessen Indikatorfläche nicht mit elektrischer Energie versorgt zu werden, wie dies herkömmlich zumeist der Fall war. Ferner kann mit einer Thermospannungsanalyse eine reine Spannungsmessung vermieden werden. Dies kann ein einfaches Überwachen und einen Verzicht auf eine aufwendige Testinfrastruktur ermöglichen.
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Die optische Eigenschaft, die sich bei der Indikatorfläche temperaturbedingt ändern soll, kann beispielsweise die Absorption, die Reflexion, die Transmission, die Emission, den Grenzwinkel der Totalreflexion, die Polarisationsrichtung, den Polarisationsgrad, die Phosphoreszenz und/oder die Fluoreszenz eines für die Indikatorfläche verwendeten Materials betreffen.
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Die optische Absorption kann beispielsweise als temperaturabhängiger Farbumschlag oder temperaturabhängige Farbtonveränderung optisch beobachtet werden. Beispielsweise kann die Indikatorfläche eine Schicht aus einem thermochromen Material aufweisen. Mögliche Substanzen sind z.B. thermochrome Flüssigkristalle (TLC, thermochrome liquid crystals) und thermochrome Polymere wie z.B. Polythiophene, Coumarine.
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Die optische Reflexion gibt ein Maß für das Verhältnis eingestrahlter Energie zu reflektierter Energie an, wobei sich eine temperaturabhängige Änderung der Reflexion sowohl aufgrund einer Veränderung der reflektierten Energiemenge als auch aufgrund einer Veränderung der spektralen Verteilung der reflektierten Energie beobachten lässt. Ähnlich gibt die optische Transmission ein Maß für ein Verhältnis eingestrahlter Energie zu transmittierter Energie an, wobei wiederum die transmittierte Strahlung hinsichtlich ihrer Gesamtenergie und/oder spektralen Verteilung beobachtet werden kann.
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Der Grenzwinkel der Totalreflexion kann als Grenz-Einfallswinkel verstanden werden, oberhalb dessen kein Licht mehr gebrochen, sondern das gesamte eingestrahlte Licht reflektiert wird. Eine temperaturbedingte Veränderung dieses Grenzwinkels kann zum Beispiel durch Beobachten des reflektierten Lichts erkannt werden.
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Auch eine Polarisationsrichtung oder ein Polarisationsgrad von eingestrahltem Licht kann durch die Indikatorfläche beeinflusst werden, wobei die Beeinflussung wiederum temperaturabhängig sein kann, so dass durch Beobachten dieser Polarisationsrichtung bzw. dieses Polarisationsgrades ein Rückschluss auf die Temperatur der Indikatorfläche gezogen werden kann.
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Auch eine Phosphoreszenz oder Emission eines für die Indikatorfläche verwendeten Materials kann sich abhängig von dessen Temperatur verändern. Neben der Intensität und/oder spektralen Verteilung der Phosphoreszenzstrahlung kann auch eine Abklingzeit der Phosphoreszenz nach einer Anregung wie beispielsweise einem Fotoblitz stark temperaturabhängig sein, wobei eine Temperaturerhöhung im Allgemeinen eine Verkürzung der Abklingzeit der Phosphoreszenz bewirkt. Wenn die Indikatorfläche eine Schicht aus einem Material mit einer temperaturabhängigen Phosphoreszenz aufweist, können solche Effekte optisch beobachtet werden und daraus auf die Temperatur der Batterie bzw. dem an die Indikatorfläche angrenzenden Teilbereich der Batterie rückgeschlossen werden.
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Auch eine Fluoreszenz des für die Indikatorfläche verwendeten Materials kann sich temperaturabhängig hinsichtlich einer Intensität und/oder einer spektralen Verteilung der Fluoreszenzstrahlung verändern, so dass ein Beobachten der Fluoreszenzstrahlung Rückschlüsse auf die Batterietemperatur zulässt.
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Die zu beobachtende optische Eigenschaft kann sich abhängig von der Temperatur des Energiespeichers reversibel ändern.
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Mit anderen Worten kann die sich ändernde optische Eigenschaft der Indikatorfläche für jede Temperatur beispielsweise innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs einen gewissen eindeutigen Wert annehmen, wobei dieser Wert im Wesentlichen nur von der aktuellen Temperatur und nicht von der zurückliegenden Geschichte der Indikatorfläche hinsichtlich früher herrschenden Temperaturen abhängt. Durch Beobachten der Indikatorfläche kann somit zu jedem Zeitpunkt eine Information über die aktuelle Temperatur der Indikatorfläche erhalten werden. Eine Kenntnis der aktuellen Temperatur des Energiespeichers kann z.B. für eine Zustandserkennung und eine Sicherheit erforderlich sein.
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Dem Fachmann ist dabei bewusst, dass die Fähigkeit, optische Eigenschaften reversibel ändern zu können, mit der Zeit aufgrund von Alterungseffekten in der Indikatorfläche, wie z.B. einem Ausbleichen von Farbstoffen, abnehmen kann. Solche Alterungseffekte können jedoch berücksichtigt werden, so dass dennoch über einen langen Zeitraum die aktuelle Temperatur aufgrund der weitgehend reversiblen Änderungen der optischen Eigenschaften beobachtbar bleibt.
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Alternativ oder ergänzend kann sich die zu beobachtende optische Eigenschaft der Indikatorfläche bei Überschreiten einer Grenzwerttemperatur irreversibel ändern.
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Mit anderen Worten kann sich die zu beobachtende optische Eigenschaft, sobald die Grenzwerttemperatur erstmalig überschritten wird, bleibend ändern, so dass selbst bei einem anschließenden Abkühlen und Unterschreiten der Grenzwerttemperatur die eingenommene Änderung der optischen Eigenschaft zumindest teilweise bestehen bleibt. Auf diese Weise kann beispielsweise erkannt werden, ob die Batterie während eines zurückliegenden Zeitraums jemals eine Erwärmung über die Grenzwerttemperatur hinaus und damit eine mögliche starke Degradation erfahren hat.
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Es kann vorteilhaft sein, die Indikatorfläche mit einem Material vorzusehen, das innerhalb eines ersten Temperaturbereichs eine reversible Änderung der zu beobachtenden optischen Eigenschaft abhängig von der Temperatur aufweist und das bei Überschreiten einer Grenzwerttemperatur eine optische Eigenschaft irreversibel ändert.
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Die sich reversibel ändernde optische Eigenschaft kann dabei gleich der sich irreversibel ändernden optischen Eigenschaft sein, wobei die Grenzwerttemperatur, oberhalb derer sich die optische Eigenschaft irreversibel ändert, dann oberhalb des Temperaturbereichs sein muss, innerhalb dessen sich die optische Eigenschaft reversibel ändert.
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Alternativ kann die sich reversibel ändernde optische Eigenschaft von der sich irreversibel ändernden optischen Eigenschaft unterscheiden, so dass die Grenzwerttemperatur der irreversiblen Änderung auch innerhalb des Temperaturbereichs der reversiblen Änderung liegen kann. Beispielsweise kann sich die optische Absorption innerhalb eines Temperaturbereichs reversibel ändern und sich die Phosphoreszenz oberhalb einer Grenztemperatur, die ebenfalls innerhalb dieses Temperaturbereichs liegt, irreversibel ändern. Auf diese Weise kann einerseits die aktuell herrschende Temperatur aufgrund der sich reversibel ändernden optischen Eigenschaft stets beobachtet werden und andererseits nachvollzogen werden, ob die Temperatur jemals die Grenzwerttemperatur überschritten hat.
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Die Indikatorfläche kann mehrere Indikatorteilflächen aufweisen, die jeweils abhängig von einer lokalen Temperatur der Batterie optische Eigenschaften ändern. Die Indikatorteilflächen können dabei eindimensional, d.h. entlang einer Linie, oder zweidimensional, d.h. entlang einer Fläche, angeordnet sein.
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Mit Hilfe einer solchen mehrteiligen Indikatorfläche kann nicht nur eine Information über die aktuelle Temperatur der Batterie als Ganzes, sondern eine Information über eine Temperaturverteilung entlang der mit der Indikatorfläche in thermischem Kontakt stehenden Oberfläche der Batterie erhalten werden. Die Indikatorteilflächen können dabei diskret über eine Oberfläche der Batterie verteilt sein oder direkt aneinander angrenzen. Bei sehr kleinen, direkt aneinander angrenzenden Indikatorteilflächen kann der Eindruck einer durchgängigen linearen oder flächigen Gesamtindikatorfläche entstehen, die an jeder Position ortsaufgelöst die dort herrschende Temperatur angibt.
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Die Möglichkeit zur Beobachtung einer solchen Temperaturverteilung kann insbesondere bei einer Batterie, die eine Mehrzahl von einzelnen Zellen aufweist, vorteilhaft sein. Jeder einzelnen Zelle oder einem der Polkontakte oder Zuleitungen kann dabei eine Indikatorfläche bzw. eine Indikatorteilfläche zugeordnet sein. Auf diese Weise kann nicht nur eine Temperatur des gesamten Pakets, sondern auch eine Temperatur jeder einzelnen Zelle oder Elementes des Energiespeicher System optisch beobachtet werden.
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Die Indikatorteilflächen der Indikatorfläche können dabei gleichzeitig oder sequentiell überwacht werden. Beispielsweise kann eine Kamera dazu eingesetzt werden, alle Indikatorteilflächen gleichzeitig oder durch sequentielles Abscannen nacheinander zu beobachten und somit Rückschlüsse auf eine Temperaturverteilung über die Oberfläche der Batterie bzw. über die Vielzahl nebeneinander angeordneter einzelner Zellen der Batterie zuzulassen. Neben Kameras und direkter Betrachtung sind stets auch Wege über Lichtleiter, z.B. angekoppelt an CCDs, interessant.
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Die optische Eigenschaft der Indikatorfläche kann dabei zeitlich wiederholend überwacht werden. Beispielsweise kann die Indikatorfläche in vorbestimmten zeitlichen Abständen optisch beobachtet und daraus die benötigte Temperaturinformation abgeleitet werden.
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Eine zur Durchführung eines solchen Überwachungsverfahrens ausgelegte Überwachungsvorrichtung kann beispielsweise einen oder eine Vielzahl optischer Detektoren, z.B. in Form einer Kamera, aufweisen, wobei die Detektoren dazu ausgelegt sind, die sich temperaturabhängig ändernde optische Eigenschaft der Indikatorfläche der Batterie zu beobachten und Änderungen diesbezüglich zu detektieren. Beispielsweise kann mit Hilfe einer Kamera die Farbe und/oder Farbverteilung von thermochromem Material in der Indikatorfläche beobachtet werden. Alternativ kann mit Hilfe einer Lichtquelle ein in der Indikatorfläche vorgesehenes phosphoreszierendes Material kurzzeitig angeregt werden und mit Hilfe einer Kamera beobachtet werden, wie die Phosphoreszenz zeitlich abnimmt und aufgrund der Temperaturabhängigkeit einer solchen Phosphoreszenzabnahme auf die Temperatur der Indikatorfläche rückgeschlossen werden.
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Vorliegend sind mögliche Eigenschaften und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung teilweise mit Bezug auf einen Energiespeicher bzw. eine Batterie und teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers bzw. einer Batterie bzw. eine Überwachungsvorrichtung beschrieben. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Merkmale in geeigneter Weise ausgetauscht oder kombiniert werden können und insbesondere von der Batterie auf das Verfahren bzw. umgekehrt in analoger Weise übertragen werden können, um so zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei sowohl die Beschreibung als auch die Zeichnungen nicht als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie mit einer Indikatorfläche zum Angeben einer Temperatur der Batterie;
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie mit einer Indikatorfläche zum Angeben einer Temperaturverteilung der Batterie;
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3 zeigt einen Graphen zum Verdeutlichen einer Temperaturabhängigkeit einer Phosphoreszenz;
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4 zeigt eine Vorrichtung zum Überwachen einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Batterie 1 mit einem quaderförmigen Körper 3 und elektrischen Anschlüssen 5. An jeder der Seitenflächen des quaderförmigen Körpers 3 sind von außen optisch beobachtbare Indikatorflächen 7 vorgesehen. Diese Indikatorflächen 7 weisen ein Material auf, das zumindest eine optische Eigenschaft abhängig von der Temperatur der Batterie ändert.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform dient die Indikatorfläche 7 lediglich dazu, eine allgemeine Information über die Temperatur der Batterie an der jeweiligen darunterliegenden Oberfläche des quaderförmigen Körpers 3 anzugeben. Die Indikatorflächen 7 sind hierzu mit einer Materialschicht vorgesehen, die ihre Zusammensetzung ortsabhängig entlang der Indikatorfläche ändert, so dass sich die optischen Eigenschaften der Indikatorfläche 7 je nach herrschender Temperatur an einer anderen Position entlang der Indikatorfläche 7 optisch beobachtbar ändern.
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Beispielsweise kann die Indikatorfläche 7 ihre Farbe in Teilbereichen abhängig von der Temperatur ändern, wobei je nach Temperatur ein Farbumschlag oder eine Farbtonveränderung eines für die Indikatorfläche verwendeten thermochromen Materials an einer anderen Position entlang der Indikatorfläche 7 auftritt. Anhand der Position, an der eine Farbänderung, d.h. eine Änderung der zu beobachtenden optischen Eigenschaft, beobachtet wird, kann somit auf die Temperatur der Batterie rückgeschlossen werden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Temperatur über die gesamte Batterie hin die gleiche ist, da bei einer solchen Ausgestaltung der Indikatorfläche 7 keine Ortsinformation über die Verteilung der Temperatur entlang der Oberfläche der Batterie bereitgestellt wird. Es kann auch von einer 0-dimensionalen Temperaturinformation gesprochen werden.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform wird eine Indikatorfläche 7 großflächig auf eine Oberfläche der Batterie 1 aufgebracht. Die Indikatorfläche kann hierbei beispielsweise mit einem Material versehen werden, das abhängig von der lokal herrschenden Temperatur eine spezifische Farbe oder eine andere spezifische optische Eigenschaft einnimmt. Durch Beobachten der aktuell herrschenden Farbverteilung bzw. der Verteilung der anderen optischen Eigenschaft kann somit eine Information über die aktuelle Temperaturverteilung entlang der Oberfläche der Batterie 1 erhalten werden. Eine solche ortsaufgelöste Temperaturinformation kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Batterie 1 aus einer Vielzahl von Batteriezellen zusammengesetzt ist, da hier eine Information über die Temperatur jeder einzelnen Batteriezelle wichtig sein kann. Auch bei Batterien, bei denen eine inhomogene Temperaturverteilung schon innerhalb einer Speicherzelle erwartet wird, kann eine ortsaufgelöste Temperaturinformation wertvoll sein. Durch eine eindimensionale oder zweidimensionale Beobachtung der Temperaturverteilung mit Hilfe der Indikatorfläche 7 kann somit auf lokale Überhitzungen innerhalb der Batterie oder auf eine Überhitzung einer einzelnen Zelle innerhalb eines Batterieblocks geschlossen werden.
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Die Indikatorfläche 7 kann, wie in 2 dargestellt, als zusammenhängende Fläche ausgebildet sein, sodass eine Temperaturverteilung quasi-kontinuierlich ermittelt werden kann. Alternativ kann die Indikatorfläche 7 in mehrere Indikatorteilflächen (nicht dargestellt) unterteilt sein, wobei jede Indikatorteilfläche die lokal herrschende Temperatur angibt.
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3 veranschaulicht die Abhängigkeit einer Phosphoreszenz eines Materials von der vorherrschenden Temperatur T. Nach einer Anregung A beispielsweise mit Hilfe eines Fotoblitzes steigt die Intensität I der Phosphoreszenz zunächst kurzfristig stark an und nimmt dann nach Beenden der Anregung A mit der Zeit t wieder ab, wie durch die Kurven 9 dargestellt. Bei höheren Temperaturen T1 erfolgt ein solches Abklingen der Phosphoreszenz innerhalb einer kürzeren Zeit t als bei niedrigen Temperaturen T3. Wird eine Indikatorfläche mit einem solchen phosphoreszierenden Material versehen, kann somit aus der Beobachtung der Abklingzeit der Phosphoreszenz auf die Temperatur der Indikatorfläche an der entsprechenden Position geschlossen werden. Auf diese Weise kann wiederum eine eindimensionale oder zweidimensionale Temperaturverteilung entlang der Oberfläche der Batterie 1 bestimmt werden.
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Die sich temperaturabhängig ändernde zu beobachtende optische Eigenschaft kann, wie in 4 dargestellt, mit Hilfe eines optischen Detektors 11 wie beispielsweise einer Kamera beobachtet werden und entsprechende Detektionssignale an eine Auswerteeinheit 13 weitergeleitet werden. Der Detektor 11 und die Auswerteeinheit sind Teil einer Überwachungsvorrichtung 15.
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Wenn die Indikatorfläche 7, wie oben mit Bezug auf 1 erörtert, lediglich eine Temperaturinformation in Form einer ortsabhängigen Änderung der beobachteten optischen Eigenschaft liefert, kann es hierbei genügen, lediglich den Ort der Änderung der optischen Eigenschaft zu beobachten. Der Detektor 11 kann hierzu beispielsweise ein eindimensionales oder zweidimensionales Bild der Indikatorfläche 7 aufnehmen und lediglich detektieren, an welcher Position eine Änderung der optischen Eigenschaft auftritt. Diese Positionsangabe wird als Information über die aktuell herrschende Batterietemperatur ausgewertet. Der Detektor 11 braucht dabei nur das Vorliegen einer Änderung der optischen Eigenschaft zu erkennen, nicht jedoch ein Ausmaß dieser Änderung.
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Bezogen auf das Beispiel einer thermochromen Schicht für die Indikatorfläche 7 kann dies bedeuten, dass der Detektor 11 lediglich erkennt, an welcher Stelle der Indikatorfläche 7 ein Farbumschlag stattfindet, ohne dass detektiert werden müsste, welche Farbe oder Farbintensität eingenommen wird.
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Alternativ kann bei der mit Bezug auf 2 dargestellten Ausführungsform einer zweidimensionalen Indikatorfläche zur Ermittlung der Temperaturverteilung der Detektor 11 dazu ausgelegt sein, sowohl eine Position als auch ein Ausmaß einer Änderung der zu beobachtenden optischen Eigenschaft zu ermitteln.
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Am Beispiel einer thermochromen Indikatorfläche 7 kann eine Kamera beispielsweise ein Farbbild der Indikatorfläche 7 aufnehmen. Aus der lokalen Farbverteilung dieses Farbbildes kann die Auswerteeinrichtung 13 dann die Temperaturverteilung an der Batterieoberfläche ermitteln.
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Mit Hilfe der vorgeschlagenen Batterie bzw. des vorgeschlagenen Überwachungsverfahrens oder der Überwachungsvorrichtung kann nachgewiesen werden, ob eine Batterie, eine einzelne Zelle oder ein Modul während des Betriebs, des Transports oder der Lagerung aktuell eine bestimmte, eventuell schädigende Temperatur annimmt bzw. wie eine Temperatur-Historie eine Degradation der Batterie beeinflussen könnte.
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Um die Temperatur hierbei kontinuierlich überwachen zu können, sollte die beobachtete optische Eigenschaft sich abhängig von der Temperatur reversibel ändern. Beispielsweise können Lithium-Ionen-Batterien in einem Temperaturbereich von etwa –30°C bis +70°C betrieben werden, so dass innerhalb dieses Temperaturbereichs ein reversibler Temperaturindikator nützlich sein kann.
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Durch Aufzeichnen eines zeitlichen Verlaufs der Temperatur der Batterie oder der Temperaturverteilung an der Batterie können Informationen über Alterungs- bzw. Degradationsprozesse innerhalb der Batterie gewonnen werden. Hierbei ist anzumerken, dass eine kalendarische Alterung von Zellen innerhalb einer Batterie beispielsweise bei 70°C mehr als 30 mal schneller ablaufen kann als bei Raumtemperatur.
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Während bisher solche Alterungs- bzw. Degradationsvorgänge erst nach Einbau einer Zelle in eine Batterie und anschließendes elektrisches Testen der Batterie ersichtlich waren, wird es bei der hier vorgeschlagenen Batterie möglich, eine temperaturbedingte Alterung oder Degradation bereits frühzeitig, beispielsweise bei einem Transport oder einer Lagerung, zu erkennen. Degradierte oder beschädigte Batteriezellen oder ganze Batterien können somit schon vor einem Einbau und elektrischen Anschließen erkannt und gegebenenfalls aussortiert werden.
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Wenn ein Überschreiten einer Grenzwerttemperatur als besonders schädlich erkannt wird, kann es vorteilhaft sein, eine Indikatorfläche mit einem Material auszustatten, das bei Überschreiten der Grenzwerttemperatur seine beobachtete optische Eigenschaft irreversibel ändert. Beispielsweise kann durch Beobachten eines irreversiblen Farbumschlags, einer irreversiblen Formänderung, eines irreversiblen Phasenwechsels zum Beispiel durch Schmelzen, Farbtonänderung, etc. ein Nachweis darüber erbracht werden, dass die Zelle, das Modul oder die ganze Batterie während des Betriebs, des Transports oder der Lagerung zu irgendeinem Zeitpunkt eine bestimmte Grenzwerttemperatur überschritten hat. Auf diese Weise kann beispielsweise eine garantie-relevante Information optisch, d.h. zum Beispiel visuell beobachtbar, bereitgestellt werden Eine Stromversorgung der Indikatorfläche ist für eine solche Beobachtung der Temperatur oder Temperaturverteilung der Batterie nicht notwendig. Dies ermöglicht unter anderem eine Batteriediagnose in aktiven und passiven Phasen, d.h., sowohl in Zeiten, in denen die Batterie Energie abgibt oder aufnimmt als auch zu Zeiten, wenn die Batterie nicht angeschlossen ist und beispielsweise lediglich gelagert oder transportiert wird. Es kann dabei ferner eine vollständige Entkopplung von elektromagnetischen Störungen bewirkt werden. Zur Ermittlung der Temperatur ist kein elektrischer oder mechanischer Kontakt zu den Zellen erforderlich, so dass es zu einer galvanischen Trennung kommen kann.
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Durch thermische Widerstände zwischen der Oberfläche der Batterie und der Indikatorfläche können auch Zeitinformationen abgeleitet werden. Die Zeitinformation ergibt sich aus einem gezielten Einstellen z.B. der Parameter Wärmeleitung und Wärmekapazität auf dem Wärmeleitungsweg vom Objekt zum Sensor und in der Sensorumgebung. Damit kann eine Temperaturschwelle nur überschritten werden, wenn die zeitliche Einwirkung hinreichend lang und auch hoch war.
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Durch die vorgeschlagene Ausstattung der Batterie mit einer von außen optisch beobachtbaren Indikatorfläche kann beispielsweise durch Aufzeichnung mittels Foto- oder Video-Techniken und entsprechenden Bildbearbeitungswerkzeugen schnell eine Mehrzahl von Batteriezellen auf temperaturbedingte Schädigungen hin überwacht werden. Beispielsweise können in einem Batteriepaket die Temperaturen der einzelnen Batteriezellen durch Aufzeichnung und Bildbearbeitung quasi gleichzeitig gemessen werden, z.B. im Betrieb oder während eines Ladeprozesses.
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Allgemein ermöglicht das Vorsehen einer von außen optisch beobachtbaren Indikatorfläche eine einfache Erkennung von hohen Temperaturen innerhalb einer Batterie und damit der Gefahr von Schädigungen oder eines schnellen Alterns der Batterie. Die vorgeschlagene Ausgestaltung der Batterie bzw. das vorgeschlagene Verfahren zum Überwachen der Batterie bieten somit zusätzliche Diagnosemöglichkeiten für komplexe Energiespeichersysteme, in welchen beispielsweise einzelne Zellen oder Module unterschiedlich belastet sind, wie z.B. bei Batteriepaketen, die sowohl Hochenergiezellen als auch Hochleistungszellen beinhalten.
