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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, eine Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, ein Zellenmodul zum Bereitstellen elektrischer Energie sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie.
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Mit der immer größer werdenden Nachfrage nach alternativen Antriebskonzepten rückt der Elektroantrieb mehr und mehr in den Mittelpunkt der Betrachtung. In der Automobilindustrie zum Einsatz kommende Akkumulatorenpakete bestehen meist aus mehreren Modulen, welche wiederum aus mehreren Zellen, z. B. Lithium-Ionen-Zellen, zusammengebaut sind. Eine große Herausforderung hierbei ist ein effektives Batteriemanagementsystem, welches die Funktion der einzelnen Zellen der Batterie überwacht, deren Lade- und Entladevorgänge steuert und einen sicheren Betrieb gewährleistet.
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Die
WO 2006112639 A1 offenbart Piezo-Sensoren zur Erfassung eines Batterie-Innendrucks. Durch die Erfassung einer Überschreitung eines bestimmten vergebenen Innendruckwertes ist es möglich, geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, eine Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, ein Zellenmodul zum Bereitstellen elektrischer Energie sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Kathoden- und Anodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien sind bei unterschiedlichen Ladezuständen erheblichen Volumenausdehnungen und Volumenkontraktionen ausgesetzt sind. Diese mechanische Belastung durch An- und Abschwellung der Elektroden können die einzelnen Schichten (Metallschicht, Kathodenmaterial, Separator, Anode, etc.) schädigen und somit zum Anstieg des elektrischen Widerstandes und zu einem verminderten Leistungsvermögen führen. Zur Verhinderung dieser mechanischen Belastung und der unerwünschten Ablösung einzelner Schichten kann ein konstanter Anpressdruck auf die Zellen aufgebracht werden. Dieser verhindert eine Volumenänderung nahezu gänzlich, sodass stattdessen eine mechanische Kraft von in den Zellen angeordneten galvanischen Elementen bzw. Zellwickeln gegen festgehaltene Außenwände der Zelle auftritt.
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Um einen auf mechanischen Spannungen basierenden Druck zwischen Zellwickeln zu messen, kann z. B. ein durch eine Funktionalisierung von Folien in Batteriezellen geschaffener Foliensensor zur Detektion von mechanischen Spannungen genutzt werden. Ferner kann ein Schwellverhalten (Swelling-Force) der Batteriezelle über mehrere Ladezyklen beobachtet werden, woraus ebenfalls ersichtlich gemacht werden kann, dass Alterung sowie Ladezustand der Batteriezelle zu einer messbaren Kraftänderung führen. Da üblicherweise mehrere Zellen zu einem Modul zusammengefasst werden und von einem gemeinsamen Spannband um das Modul herum in Form gehalten werden, addieren sich die dadurch entstehenden Kräfte und verteilen sich in erster Näherung entlang eines gemeinsamen Kraftpfades gleichmäßig auf die Zellen.
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Durch eine geeignete Platzierung von Sensoren in einer Batterie kann eine Entkopplung von drei relevanten Beurteilungskriterien für einen Zustand der Batterie, nämlich Alterung, Ladung, und Beschädigung, ermöglicht und somit eine eindeutige Aussage über Zustand und/oder Dichtigkeit der Batteriezellen erlaubt werden.
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Mindestens eine Zelle einer Batterie kann mit mindestens einem Sensor oder einer Mehrzahl, beispielsweise drei Sensoren, z. B. Foliensensoren, ausrüstet sein, um aus dessen bzw. deren Messwerten zu Gasdruck und/oder Kräften und gegebenenfalls weiteren, unabhängig erfassten, Messwerten wie beispielsweise Zellklemmenspannung, eine exakte, entkoppelte, Berechnung von SOH (State of Health = Gesundheitszustand), SOC (State of Charge = Ladezustand) und Hermetizität der Batteriezelle zu erzielen.
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Vorteil einer derartigen Kombinationslösung ist es, dass der Ladezustand von dem Alterungszustand der Zelle entkoppelt werden kann, indem das Sensorsignal des Sensors zum Erfassen des Gasdrucks mit dem Signal des oder der Sensoren zum Erfassen der Kraft verrechnet wird. Ferner können Werte über eine Dehnung der Zellwickel an der Oberfläche hinzugezogen werden, um eine Beeinflussung durch Nachbarzellen "nahezu zu eliminieren" und somit das Signal der einzelnen Zelle zu ermitteln. Alternativ kann hierfür auch eine Messung von Zellklemmenspannungen herangezogen werden. Somit ist die endgültige Aussage über SOC und SOH der Batteriezelle wesentlich genauer. Aufgrund der exakteren Detektion der Druckverhältnisse ist auch ein kontrollierbares schnelleres Laden- und Entladen der Batteriezellen möglich.
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Trotz des erschwerenden Umstands, dass sich in einem Zellmodul nicht nur mehrere Zellen unterschiedlich ausdehnen, sondern sich sogar über deren berührende Zellwände gegenseitig beeinflussen können, kann eine eindeutige Zuordnung einer entstehenden Kraft zu einer individuellen Zelle einer Batterie bzw. eines Zellmoduls durchgeführt werden. Ferner kann eine Undichtigkeit einer Zelle, beispielsweise in Form einer durch eine Beschädigung verursachten Öffnung der Zelle, eindeutig detektiert werden, da diese ebenfalls zu einer Beeinflussung der Swelling-Force führt.
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Insofern können die detektierten Druckverhältnisse zur Erhöhung der Zellsicherheit herangezogen werden. Eine Zustandsüberwachung, mit der beispielsweise eine Überschreitung kritischer Referenzwerte detektiert werden kann, ermöglicht z. B. über eine Auswerteeinheit (z. B. ASIC) eine Weitergabe eines Warnsignals an das Batteriemanagement. Ferner kann aufgrund der Detektion der Druckverhältnisse auch ein kontrollierbares schnelleres Laden und Entladen der Batteriezellen ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil des hierin vorgeschlagenen Konzepts ist, dass die Erfassung der Druckverhältnisse auch im ausgebauten Zustand der Batterie realisiert und somit ein gefahrloses Recycling der Zellen ermöglicht werden kann. Auch kann bei einer erkannten Batterie-Volumenvergrößerung der Druck piezoelektrisch verringert werden und bei einer erkannten Batterie-Volumenverringerung kann der Druck piezoelektrisch erhöht werden.
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Eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die Zelle mindestens ein galvanisches Element und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse umfasst, weist die folgenden Merkmale auf:
einen Kraftsensor zum Bestimmen einer Volumenänderung der Zelle, um basierend auf der Volumenänderung die Zustandsgröße zu ermitteln; und/oder
einen Gasdrucksensor zum Bestimmen eines Gasinnendrucks der Zelle in einem zwischen dem mindestens einen galvanischen Element und dem Gehäuse befindlichen Freiraum der Zelle, um basierend auf dem Gasinnendruck die Zustandsgröße zu ermitteln.
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Bei der Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie kann es sich um eine Batteriezelle eines Akkumulators zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Beispielsweise kann die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle sein. Die Zelle kann als eine prismatische Zelle mit einem quaderförmigen Gehäuse ausgebildet sein. Das Gehäuse kann das galvanische Element oder eine Mehrzahl von galvanischen Elementen vollständig umschließen und beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Das galvanische Element kann zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie zwei einen Elektrolyten kontaktierende Elektroden umfassen. Die Elektroden können in gewickelter Form vorliegen. Ein derartiger Zellwickel kann eine längliche flache Form aufweisen, sodass beispielsweise eine Mehrzahl von galvanischen Elementen platzsparend nebeneinander in dem Gehäuse der Zelle untergebracht sein kann. Die Zustandsgröße kann sich z. B. auf einen Dehnungszustand oder einen Gasinnendruck der Zelle beziehen. Beispielsweise können die Elektroden in Abhängigkeit von einem Ladezustand des galvanischen Elements an- bzw. abschwellen, oder es kann aufgrund von Alterungsprozessen zu einer Gasentwicklung in der Zelle kommen, wodurch sich die Zelle aufblähen und ausdehnen kann. Das galvanische Element kann eine elektrisch isolierende Hüllfolie aufweisen, die ausgebildet ist, um die Elektroden und den Elektrolyt des galvanischen Elements fluiddicht zu umschließen. Die Hüllfolie kann aus einem elastischen Material, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff, gebildet sein. So kann sich die Hüllfolie an die innerhalb des galvanischen Elements ablaufenden chemischen und/oder physikalischen Prozesse anpassen und sich entsprechend ausdehnen und wieder zusammenziehen. Zur elektrischen Kontaktierung kann die Zelle zwei durch eine Wand des Gehäuses geführte Kontakte aufweisen, von denen einer mit der als die Kathode ausgeführten Elektrode elektrisch verbunden ist und der andere mit der als die Anode ausgeführten Elektrode elektrisch verbunden ist.
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Der Kraftsensor kann ausgebildet sein, um eine aufgrund der chemischen und/oder physikalischen Prozesse des galvanischen Elements auf die Zelle wirkende Kraft zu erfassen. Beispielsweise kann unter dem Kraftsensor eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden Verformungen verstanden werden. Dazu kann der Kraftsensor mit zumindest einem Teilbereich des galvanischen Elements fest verbunden sein. Aufgrund der festen Verbindung kann sich der Kraftsensor mit einer Dehnung des galvanischen Elements ebenfalls dehnen, sodass basierend auf einer mit der Dehnung verbundenen erfassten Zugkraft auf den Kraftsensor auf einen Grad der Dehnung und damit einen Dehnungszustand des galvanischen Elements rückgeschlossen werden kann. Zur Erfassung der Dehnung kann der Kraftsensor z. B. einen Dehnungsmessstreifen aufweisen. Alternativ kann es sich bei dem Kraftsensor z. B. um einen Piezo-Kraftaufnehmer handeln. Dieser kann z. B. eingesetzt werden, indem er eine durch eine Dehnung des galvanischen Elements auf die Zelle einwirkende Kraft über eine Erfassung einer Ladungsverteilung in dem Kraftaufnehmer, die proportional zu der Kraft ist, misst. Der Kraftsensor kann z. B. an einer Hauptseite oder einer zu den Kontakten der Zelle hin ausgerichteten Schmalseite des galvanischen Elements angeordnet sein.
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Der Gasdrucksensor kann von einer Dehnung des galvanischen Elements entkoppelt in dem Freiraum der Zelle angeordnet und ausgebildet sein, um in dem Freiraum bestehende Druckverhältnisse bzw. Druckveränderungen zu erfassen. Derartige Druckveränderungen können z. B. Folge einer auf Lade- und Entladevorgängen der galvanischen Zelle beruhenden sogenannten Atmung der galvanischen Zelle sein. Ferner kann eine Ausgasung eines defekten galvanischen Elements eine Erhöhung des Gasdrucks im Inneren der Zelle bewirken, die durch den Gasdrucksensor erfasst werden kann. Der Freiraum der Zelle kann in einem oberen Bereich der Zelle zwischen der die Kontakte aufweisenden Gehäusewand und der zu dieser Gehäusewand hin ausgerichteten Schmalseite des galvanischen Elements gebildet sein. Ausführungsbeispiele der Vorrichtung können eine Mehrzahl von Kraftsensoren und/oder eine Mehrzahl von Gasdrucksensoren umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Kraftsensor in seiner Funktion als ein Dehnungssensor an einer dem Freiraum zugewandten Schmalseite des galvanischen Elements angeordnet und ausgebildet sein, um eine auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements basierende Dehnung der Schmalseite zu erfassen. Beispielsweise kann sich der Kraftsensor über eine Breite der Schmalseite erstrecken und vollständig oder zumindest an zwei Punkten z. B. an einer Hüllfolie des galvanischen Elements fixiert sein. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Dehnung des galvanischen Elements besonders exakt und unbeeinflusst von einem Druck benachbarter weiterer galvanischer Elemente oder einer Wand des Gehäuses der Zelle erfasst werden kann.
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Auch kann der Kraftsensor an einer an eine Wand des Gehäuses oder an ein weiteres galvanisches Element der Zelle angrenzenden Hauptseite des galvanischen Elements angeordnet und ausgebildet sein, um einen auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements und/oder des weiteren galvanischen Elements basierenden und auf die Hauptseite wirkenden Druck zu erfassen. Beispielsweise kann der Kraftsensor hier mittig auf einer Hauptseite des galvanischen Elements fixiert sein. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sich der Kraftsensor in einem sich quer zu der Hauptseite verlaufenden Kraftpfad befindet und somit besonders gut geeignet ist, eine Atmung der Zelle aufgrund von Lade- und Entladevorgängen des galvanischen Elements bzw. der galvanischen Elemente der Zelle zu messen. In dieser Ausführungsform kann der Kraftsensor sowohl als Dehnungssensor als auch als Piezo-Kraftaufnehmer eingesetzt werden.
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Alternativ kann der Kraftsensor anstelle der Position auf der Hauptseite des galvanischen Elements auch auf etwa gleicher Höhe auf einer Außenseite des Gehäuses der Zelle angeordnet sein, wenn zur Bildung eines mehrere Zellen umfassenden Zellenmoduls an diese Außenseite eine weitere Zelle angrenzt. Auch auf diese Weise kann die Atmung der Zelle erfasst werden.
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Bei Einsatz des Gasdrucksensors in der Vorrichtung kann dieser in dem Freiraum der Zelle angeordnet sein. Der Gasdrucksensor kann ausgebildet sein, um einen auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements und/oder einem Komponentenaustritt aus dem galvanischen Element basierenden Gasinnendruck der Zelle zu erfassen.
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Die Zustandsgröße kann hier einen Ladezustand und/oder einen Alterungszustand und/oder eine Dichtheit der Zelle repräsentieren. Der Ladezustand kann einen aktuellen Lade- oder Entladevorgang der Zelle beschreiben und beispielsweise von einem aktuell herrschenden Umgebungsdruck, z. B. dem Luftdruck, beeinflusst werden. Auch dieser Umstand kann von der hier vorgestellten Vorrichtung berücksichtigt werden. Alterungszustand und Dichtheit der Zelle können mit einem Gesundheitszustand der Zelle korrelieren. Insbesondere eine Kombination aus Kraftsensor und Gasdrucksensor kann es hier ermöglichen festzustellen, ob z. B. ein detektierter Defekt der Zelle auf eine Überalterung der Zelle oder z. B. auf einen Riss einer Hüllfolie des galvanischen Elements zurückzuführen ist. Mit der exakten Zuordnung eines erfassten Wertes zu unterschiedlichen Funktionalitäten der Zelle kann ein die Vorrichtung einsetzendes Batteriemanagementsystem besonders effektiv arbeiten und so Wartungs- und Reparaturkosten verringern und die Sicherheit eines Fahrzeugs verbessern.
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Insbesondere kann der Kraftsensor und/oder der Gasdrucksensor als eine für eine Messwerterfassung funktionalisierte elastische Folie ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Kraftsensor und/oder der Gasdrucksensor auf einer das galvanische Element umschließenden Hüllfolie aufgebracht sein oder Teil einer solchen Hüllfolie sein. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sich der Sensor so gut ein eine Dehnung des galvanischen Elements anpassen und so einen Messwert besonders unverfälscht und verlustfrei erfassen kann. Auch ist der Kraft- bzw. Gasdrucksensor in dieser Ausführungsform besonders platzsparend und einfach zu installieren. In einer speziellen Ausführungsform können Kraft- und Gasdrucksensor in einer einzigen Folie, die den gesamten Zellwickel umspannt, kombiniert sein.
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Eine Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung gemäß einer der im Vorangegangenen erläuterten Ausführungsformen aufweist.
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Ein Zellenmodul zum Bereitstellen elektrischer Energie weist die folgenden Merkmale auf:
eine Mehrzahl von Zellen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei jede der Mehrzahl von Zellen mindestens ein galvanisches Element und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse umfasst, und wobei die Zellen der Mehrzahl von Zellen in einer Reihe benachbart zueinander angeordnet sind;
ein die Mehrzahl von Zellen umgreifendes Spannelement, das ausgebildet ist, um einen gegen einen durch eine Volumenänderung der Zellen verursachten Druck wirkenden Gegendruck bereitzustellen; und
mindestens eine Vorrichtung gemäß einer der im Vorangegangenen erläuterten Ausführungsformen, die zumindest einer der Mehrzahl von Zellen des Zellenmoduls zugeordnet ist.
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Das Zellenmodul kann beispielsweise einen Antriebsakkumulator für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bilden oder Teil eines solchen Antriebsakkumulators sein. Das Spannelement kann als ein Spannband ausgeführt sein, das um eine Breitseite der Zellenanordnung herumgeführt ist und diese eng umschließt. So kann das Spannelement einen Gegendruck für eine durch Volumenänderung der galvanischen Zellen verursachte Aufweitung der Zellen bereitstellen. Entsprechend kann die Volumenänderung galvanischen Elemente lediglich eine versuchte Aufweitung der Zellen zur Folge haben, wobei die Inneren der Zelle wirkenden Kräfte dann umso besser von den dort angeordneten Sensoren erfasst und gemessen werden können. Es kann nur eine der Zellen des Moduls die hier vorgeschlagene Vorrichtung aufweisen, oder die Vorrichtung kann in jeder der Zellen installiert sein. Die Vorrichtung kann dabei jeweils eine unterschiedliche Anzahl der sie bildenden Gasdruck- und/oder Kraftsensoren aufweisen.
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Ein Verfahren zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die Zelle mindestens ein galvanisches Element und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse umfasst, kann den folgenden Schritt aufweisen:
Ermitteln der Zustandsgröße, basierend auf einem eine Volumenänderung der Zelle und/oder einen Gasinnendruck der Zelle repräsentierenden Signal.
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Das die Volumenänderung und/oder den Gasinnendruck repräsentierende Signal kann durch den Kraftsensor und/oder den Gasdrucksensor der Vorrichtung bereitgestellt werden. Somit kann das Verfahren von Einrichtungen der Vorrichtung oder von einem beispielsweise mit einer entsprechenden Vorrichtung gekoppelten Steuergerät ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt eines Bestimmens des die Volumenänderung repräsentierenden Signals aufweisen, und zwar durch Erfassung einer Dehnung einer einem zwischen dem mindestens einen galvanischen Element und dem Gehäuse befindlichen Freiraum zugewandten Schmalseite des galvanischen Elements und/oder durch Erfassung eines auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements basierenden und auf die Hauptseite des galvanischen Elements wirkenden Drucks. So kann in dem in dem Schritt des Ermittelns ein durch die Zustandsgröße repräsentierter Ladezustand der Zelle bestimmt werden. Beispielsweise kann das Verfahren je ein Signal eines ersten an der Schmalseite des galvanischen Elements angeordneten Kraftsensors und eines zweiten an der Hauptseite des galvanischen Elements angeordneten Kraftsensors verwenden, wobei durch eine Korrelation beider Signale der Ladezustand z. B. von einer Aufweitung des Elements aufgrund eines Defekts eindeutig abgegrenzt werden kann. So können überflüssige Wartungseinsätze wirksam vermieden werden.
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Auch kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens des den Gasinnendruck der Zelle repräsentierenden Signals aufweisen, nämlich durch Erfassung eines auf der Volumenänderung des galvanischen Elements und/oder einem Komponentenaustritt aus dem galvanischen Element basierenden Gasinnendrucks in dem Freiraum der Zelle. So kann in dem Schritt des Ermittelns eine durch die Zustandsgröße repräsentierte Dichtheit der Zelle bestimmt werden.
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Einzelne oder alle Schritte des Verfahrens können beispielsweise von einem Steuergerät, das über einen CAN-Bus eines Fahrzeugs mit der Zelle verbunden sein kann, durchgeführt werden. Zum Ermitteln der Zustandsgröße kann beispielsweise ein geeigneter Algorithmus eingesetzt werden.
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Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Zelle mit einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße der Zelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittansicht der Zelle aus 1;
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3 die Zelle aus 1 im aufgeweiteten Zustand;
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4 eine perspektivische Darstellung eines Zellenmoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Zustandsgröße einer Zelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt anhand einer dreidimensionalen Darstellung einen Schnitt durch eine prismatische Batteriezelle 100 in Quaderform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Zelle 100 umfasst eine Mehrzahl von galvanischen Elementen 105 in Form von flachen Zellwickeln, die von einem Gehäuse 110 der Zelle umschlossen sind. Die galvanischen Elemente 105 sind in Form eines liegenden Stapels angeordnet und durch das Gehäuse 110 fest eingefasst. Das Gehäuse 110 ist aus Aluminium gebildet und ist an einer Oberseite von Kontakten 115 zur elektrischen Anbindung der galvanischen Elemente 105 durchbrochen. In der hier gezeigten Schnittansicht ist jedoch lediglich ein Kontakt 115, der (in der Darstellung nicht gezeigte) Anoden der galvanischen Elemente 105 kontaktiert, gezeigt.
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Die Zelle 100 weist eine Vorrichtung 120 zum Ermitteln einer Zustandsgröße der Zelle 100 auf, wobei die Zustandsgröße einen Gesundheitszustand bzw. SOH (State of Health) und/oder einen Ladezustand bzw. SOC (State of Charge) der Zelle 100 beschreibt. Die Vorrichtung 120 bildet einen Kombisensor und umfasst einen ersten Kraftsensor 125, einen zweiten Kraftsensor 130 und einen Gasdrucksensor 135, die jeweils als Foliensensoren ausgebildet sind. Die Vorrichtung 120 ist hier lediglich einem von vier galvanischen Elementen zugeordnet, kann alternativ aber auch sämtliche der Zellwickel in einer Batteriezelle mit Sensoren belegen.
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Der erste Kraftsensor 125 ist als ein Dehnungssensor ausgeführt und parallel zu einer durch eine Strichlinie in der Darstellung gekennzeichneten X-Achse an einer zu einem Hohlraum 140 der Zelle 100 hin ausgerichteten Schmalseite 145 des galvanischen Elements 105 angeordnet. Der Dehnungssensor 125 misst eine Volumenänderung des Zellwickels 105 an der Oberfläche, indem eine durch die Volumenänderung hervorgerufene Dehnung des Zellwickels 105 detektiert wird. Die Erfassung der Dehnung erfolgt hier durch einen in den Kraftsensor 125 integrierten Dehnungsmessstreifen (DMS). Die Position dieses Sensors 125 ermöglicht eine stark entkoppelte Messung der Volumenänderung mit geringer Beeinflussung durch die Nachbarzellen 105. Der zweite Kraftsensor 130 ist mittig an einer Hauptseite des galvanischen Elements 105 angeordnet und misst eine Kraft durch eine versuchte Volumenänderung des Zellwickels entlang der X-Achse. Das Messverfahren erfolgt hier unter Verwendung eines DMS in weichem Material, welches durch Krafteinwirkung entlang der X-Achse normal zu der X-Achse "auseinander fließt". Durch einen gemeinsamen Kraftpfad aller galvanischen Elemente 105 misst der zweite Kraftsensor 130 hierbei eine absolute Summe der einwirkenden Kräfte entlang der X-Achse und damit eine Summe der Volumenänderung aller Modulzellen 105. Da bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 120 sowohl der erste Kraftsensor 125 als auch der zweite Kraftsensor 130 auf dem DMS-Prinzip basieren, sind hier der erste Kraftsensor 125 und der zweite Kraftsensor 130 identisch aufgebaut. Alternativ kann der zweite Kraftsensor 130 die einwirkenden Kräfte auch z. B. kapazitiv oder piezoresistiv erfassen. Der Gasdrucksensor 135 zwischen zwei der Zellwickel 105 angeordnet und zu dem Freiraum 140 hin ausgerichtet und damit von einer Dehnung der galvanischen Elemente 105 nahezu komplett entkoppelt. Damit ist Gasdrucksensor 135 zur Messung eines Gasdrucks in der Zelle 100 geeignet, womit Rückschlüsse auf einen SOH der Zelle 100 ermöglicht werden. Der Gasdrucksensor 135 ist hier kapazitiv mit starren Elektroden und weicher Anbringung an den Zellwickel 105 ausgeführt. Hierdurch kann ein mögliches Ausgasen der galvanischen Elemente 105 überwacht werden, welches einen ansteigenden Innendruck der Zelle 100 zur Folge hat. Somit können auch die Druckverhältnisse während Ladezyklen der Zelle 100 erfasst werden. Ferner kann auch eine Beschädigung der Zelle erfasst werden, d. h., ein abrupter Druckanstieg infolge eines Unfalles oder ein starker Druckabfall durch das Öffnen der Außenhülle der Zelle 100 oder einer Außenhülle eines der Zellwickel 105.
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Bei der in 1 gezeigten Anordnung aus der Zelle 100 und der Vorrichtung 120 wird von einer festen äußeren mechanischen Einspannung der Zelle 100 ausgegangen (siehe nachfolgende 4). Die Verwendung der drei oben erläuterten Sensoren 125, 130 und 135 für den Kombisensor 120 ist für eine optimale Erfassung aller auf die Zelle 100 einwirkenden Kräfte sinnvoll; durch den Einsatz sowohl des ersten Kraftsensors 125 und zweiten Kraftsensors 130 als auch des Gasdrucksensors 135 können der SOH, der SOC und die Hermetizität der Zelle 100 sehr genau bestimmt werden. Jedoch sind auch mit einem Einsatz von zwei Sensoren oder lediglich einem Sensor aussagekräftige Ergebnisse erzielbar. So können lediglich der zweite Kraftsensor 130 und der Gasdrucksensor 135 verwendet werden, um den SOH und die Hermetizität einer in einem Zellenmodul angeordneten Zelle 100 zu berechnen sowie einen über das Modul gemittelten SOC. Dabei können zusätzlich zu den von dem zweiten Kraftsensor 130 und dem Gasdrucksensor 135 gelieferten Werten Klemmenspannungen der Zellen 100 des Zellenmoduls gemessen werden, um so wieder zu einer Aussage über den SOC jeder Zelle 100 zu gelangen. Alternativ kann ausschließlich der Gasdrucksensor 135 eingesetzt werden, um zu einer Aussage über den SOH und die Hermetizität zu gelangen; der SOC wird dabei klassisch aus anderen Messgrößen gewonnen. Auch eine Kombination des ersten Kraftsensors 125 mit dem Gasdrucksensor 135 ist möglich. Damit können der SOH, der SOC und die Hermetizität berechnet werden, wobei hier jedoch mit einer geringeren Genauigkeit als bei einer Verwendung aller drei Sensoren 125, 130 und 135 zu rechnen ist. Schließlich erlaubt eine Kombination des ersten Kraftsensors 125 mit dem zweiten Kraftsensor 130 über eine Mittelung über Lade-/Entladezyklen der galvanischen Elemente 105 eine Messung des SOH bzw. des Gasdrucks.
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Anschlüsse der Sensoren 125, 130 und 135 können über Durchführungen in dem Gehäuse 110 der Zelle 100 nach außen geführt werden (in der Darstellung in 1 nicht gezeigt). Die Sensoren 125, 130 und 135 und gegebenenfalls eine (in der Darstellung ebenfalls nicht gezeigte) Sensorauswerteelektronik können über die Zellspannung versorgt werden.
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2 zeigt eine weitere Schnittansicht der prismatischen Batteriezelle 100 aus 1, mit Längsschnitt durch das die Sensoren 125, 130, 135 aufweisende galvanische Element 105, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Ansicht sind auch eine Kathode 200 sowie eine Anode 205 zu sehen, über die ein in dem galvanischen Element 105 erzeugter elektrischer Strom an die Kontakte der Zelle und nach außen geführt werden kann.
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Aus 2 sind die einzelnen Positionen der als Foliensensoren ausgebildeten Messwertaufnehmer 125, 130 und 135 gut ersichtlich. Der erste Kraftsensor 125 wird durch eine Volumenänderung des Zellwickels 105 gedehnt. Die Erfassung der Dehnung erfolgt wie bereits anhand von 1 erläutert mit dem DMS-Prinzip. Der zweite Kraftsensor 130 ist in einem Mittelbereich einer Hauptseite 210 des galvanischen Elements 105 angeordnet ist. Der zweite Kraftsensor 130 liegt somit in dem in Zusammenhang mit 1 erläuterten Kraftpfad der Mehrzahl von aufeinandergestapelten Zellwickeln 105 und misst hierbei die Kraft, die durch die versuchte Volumenänderung des Zellwickels 105 entlang des Kraftpfades entsteht. Wie bereits erläutert erfolgt die Messung mit DMS in weichem Material, welches durch die Kraft entlang der in 1 dargestellten X-Achse normal zu X "auseinander fließt", kann jedoch alternativ auch z.B. kapazitiv oder piezoresistiv durchgeführt werden. Alternativ kann der zweite Kraftsensor 130 wie in 2 dargestellt angeordnet sein, aber nicht die Kraft direkt, sondern eine Größe einer Auflagefläche zwischen dem Zellwickel 105 und einem weiteren Zellwickel 105 oder zwischen dem Zellwickel 105 und einer Wand des Gehäuses 110 der Zelle 100 bestimmen. Der Gasdrucksensor 135 liegt außerhalb des Kraftpfades in einem Randbereich des Zellwickels 105 und somit an einer Stelle, an der sich das galvanische Element 105 ungehindert durch andere Zellwickel 105 des Stapels ausdehnen kann. Der Gasdrucksensor 135 ist somit von der Dehnung entkoppelt und misst den Gasdruck innerhalb der Zelle 100, z. B. kapazitiv mit starren Elektroden und weicher Anbringung an den Zellwickel 105.
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Wie die Darstellung in 2 zeigt, dass die Sensorschichten 125, 130 zur Erfassung der Dehnung lokal begrenzt auf der Trägerfolie bzw. Hüllfolie des Zellwickels 105 platziert sind, an Positionen an denen ein Auftreten einer Dehnung maximal ist. Mit dieser Maßnahme kann die Sensitivität der Sensoren 125, 130 gesteigert werden. Die zu zur Messwerterfassung funktionalisierten Folien für die Kraft- bzw. Dehnungssensoren 125 und 130 können als Variante auch als Ganzes um den Wickel 105 geführt werden. Die Erfassung der Druckerhöhung bzw. Krafterhöhung kann dann über eine große Fläche (Integral) erfolgen, um u. U. falsche Messwerte aufgrund lokaler Materialschwankungen zu verhindern. Eine etwaige Verfälschung der Druckerhöhung aufgrund von Temperatureinflüssen kann dabei beispielsweise über einen zweiten Temperatur-Foliensensor kompensiert werden. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 120 weisen die lokal aufgebrachten Sensorschichten 125, 130, 135 eine Rechteckform mit abgerundeten Ecken auf. Gemäß alternativer Ausführungsformen können die Sensorschichten 125, 130, 135 beliebige Formen aufweisen. Auch können die Sensoren 125, 130 und 135 anstelle eines zusammenhängenden Folienstücks auch jeweils aus verteilten Subsensoren bestehen, um Spannungsverläufen aufgrund des Zellwickelaufbaues Rechnung zu tragen. Messsignale des ersten Kraftsensors 125, des zweiten Kraftsensors 130 und des Gasdrucksensors 135 können über eine in der Zelle 100 integrierte Elektronik (diskret oder ASIC) ausgelesen und verarbeitet werden. Die Auswertelektronik kann mit den Sensoren 125, 130, 135, gegebenenfalls als Polymerelektronik, in bzw. auf der Folie integriert sein.
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3 zeigt die galvanische Zelle 100 in der in 1 dargestellten perspektivischen Ansicht in aufgeweitetem Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei einer Volumenvergrößerung der galvanischen Elemente 105 aufgrund einer Einlagerung von Lithium (Zellenaufladung, SOC-Maximierung) kommt es bei fehlendem Gegendruck von außen auf das Gehäuse 110 der Zelle 100 infolge einer durch Pfeile in der Darstellung gekennzeichneten Ausdehnungskraft 300 zu einer Aufweitung der Zelle 100. 3 zeigt diesen Zustand lediglich theoretisch, da für eine einwandfreie Funktionalität der hierin vorgestellten Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße der Zelle 100 ein vorhandener Gegendruck Voraussetzung ist. Die nachfolgende 4 erläutert eine Möglichkeit zur Bereitstellung eines geeigneten Gegendrucks.
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4 zeigt anhand einer weiteren perspektivischen Darstellung einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Zellenmoduls 400, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Schnittbild zeigt mehrere Zellen 100, die aneinandergereiht und aneinander angrenzend das Batterie-Modul 400 bilden. Ein als Spannband ausgeführtes Spannelement 410 umgreift die Anordnung von Zellen 100 und stellt so eine auf die Außenflächen der Zellen 100 wirkende Vorpresskraft bereit, über die ein in der Darstellung in 4 mittels Pfeilen gekennzeichneter Gegendruck 420 gegen den nach außen wirkenden Druck der sich aufweitenden galvanischen Elemente 105 der Zellen 100 aufgebaut werden kann. Dem Ausführungsbeispiel ist der zweite Kraftsensor 130 jeder Zelle 100 innerhalb der Zelle angeordnet. Alternativ kann der zweite Kraftsensor 130 aber auch außerhalb, zwischen den Zellen 100 des Moduls 400 angeordnet sein. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel des Zellenmoduls 400 tauschen Sensoren, bzw. ihre Elektronik, die in benachbarten Zellen 100 eingebaut sind, ihre Daten direkt, ohne Umweg über das Steuergerät, aus und berechnen den individuellen SOH und SOC der beteiligten Zellen 100 aus der Summe dieser Daten.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens 500 zum Bestimmen einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Zelle eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße der Zelle, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren vorgestellt wurde, zugeordnet.
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In einem Schritt 510A wird an einer Schmalseite eines galvanischen Elements der Zelle und/oder an einer quer zu der Schmalseite verlaufenden Hauptseite des galvanischen Elements eine Volumenänderung des galvanischen Elements erfasst und ein entsprechendes Signal an ein mit der Vorrichtung gekoppeltes Steuergerät gesendet. In einem Schritt 510B wird in einem Freiraum zwischen der Schmalseite des galvanischen Elements und einem Gehäuse der Zelle ein in dem Freiraum bestehender Gasinnendruck der Zelle erfasst und wiederum ein entsprechendes Signal an das mit der Vorrichtung gekoppelte Steuergerät gesendet. Die Schritte 510A und 510B können zeitgleich oder aufeinanderfolgend durchgeführt werden, oder das Verfahren kann auf Schritt 510A oder auf Schritt 510B verzichten. In einem Schritt 520 wird basierend auf dem die Volumenänderung des galvanischen Elements repräsentierenden Signal und/oder auf dem den Gasinnendruck repräsentierenden Signal die Zustandsgröße ermittelt, die je nach Kombination oder Auswertung beider Signale oder eines der Signale mit weiteren dem Steuergerät übermittelten Daten Rückschlüsse z. B. auf einen Ladezustand oder eine Dichtheit der Zelle erlaubt.
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Gemäß weiteren und in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen des Verfahrens 500 kann das Verfahren 500 eine Regelschleife enthalten oder Teil einer Regelschleife sein, die aufgrund der Sensordaten die Lade- und Entladevorgänge der Batterie bzw. Zelle steuert. Auch kann das Verfahren 500 auf Basis der Messwerte eine Zellheizung regeln. Ein detektierter Verlust der Hermetizität oder ein kritischer SOH kann dem zentralen Fahrzeugsteuergerät und/oder dem Fahrer – z. B. über eine Warnleuchte – mitgeteilt werden. Zur Verrechnung der Messwerte kann ein Kennfeld eingesetzt werden, das gegebenenfalls aus Messfahrten gewonnen wurde. Ferner kann die integrierte Elektronik die Daten und/oder Steuerbefehle einer Regelschleife z. B. über eine Power-Line-Kommunikation mit einem zentralen Steuergerät austauschen. Auch kann eine (Polymer-)Schaltermatrix verwendet werden, um die Sensorsignale zu multiplexen.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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