DE102012208509A1 - Apparatus for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, cell, cell module and method for determining a state quantity of a cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (120) zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle (100) zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die Zelle (100) mindestens ein galvanisches Element (105) und ein das galvanische Element (105) umgebendes Gehäuse (110) aufweist. Die Vorrichtung (120) umfasst einen Kraftsensor (125, 130) zum Bestimmen einer Volumenänderung der Zelle (100), um basierend auf der Volumenänderung die Zustandsgröße zu ermitteln, und/oder einen Gasdrucksensor (135) zum Bestimmen eines Gasinnendrucks der Zelle (100) in einem zwischen dem mindestens einen galvanischen Element (105) und dem Gehäuse (110) befindlichen Freiraum (140) der Zelle (100), um basierend auf dem Gasinnendruck die Zustandsgröße zu ermitteln.The invention relates to a device (120) for determining a state variable of a cell (100) for converting chemical energy into electrical energy, the cell (100) comprising at least one galvanic element (105) and a housing (105) surrounding the galvanic element (105). 110). The device (120) comprises a force sensor (125, 130) for determining a volume change of the cell (100) in order to determine the state variable based on the volume change, and / or a gas pressure sensor (135) for determining an internal gas pressure of the cell (100). in a free space (140) of the cell (100) located between the at least one galvanic element (105) and the housing (110) in order to determine the state variable based on the internal gas pressure.
Description
Stand der TechnikState of the art
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.The present invention relates to a device for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell module for providing electrical energy and a method for determining a state quantity of a cell Transformation of chemical energy into electrical energy.
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.With the ever increasing demand for alternative drive concepts, the electric drive is becoming more and more the focus of attention. In the automotive industry used coming Akkumulatorenpakete usually consist of several modules, which in turn consists of several cells, eg. As lithium-ion cells are assembled. A major challenge here is an effective battery management system that monitors the function of the individual cells of the battery, controls their charging and discharging processes and ensures safe operation.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.Against this background, the present invention provides a device for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell module for providing electrical energy, and a method for determining a state quantity Cell for the conversion of chemical energy into electrical energy presented according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
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.Cathode and anode materials of lithium-ion batteries are exposed to considerable volumetric expansion and volume contractions at different states of charge. This mechanical stress due to swelling and swelling of the electrodes can damage the individual layers (metal layer, cathode material, separator, anode, etc.) and thus lead to an increase in the electrical resistance and to a reduced performance. To prevent this mechanical stress and the unwanted detachment of individual layers, a constant contact pressure can be applied to the cells. This almost completely prevents a change in volume, so that, instead, a mechanical force of galvanic elements or cell coils arranged in the cells occurs against retained outer walls of the cell.
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. In order to measure a stress based on mechanical stresses between cell coils, z. Example, a created by a functionalization of films in battery cells foil sensor for the detection of mechanical stresses. Furthermore, a swelling-force of the battery cell over several charging cycles can be observed, from which it can also be made apparent that aging and charging state of the battery cell lead to a measurable force change. Since usually several cells are combined to form a module and kept in shape by a common strap around the module, the resulting forces add up and are distributed in a first approximation along a common force path evenly on the cells.
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. By a suitable placement of sensors in a battery, a decoupling of three relevant assessment criteria for a state of the battery, namely aging, charge, and damage, allows and thus a clear statement about the condition and / or tightness of the battery cells are allowed.
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.At least one cell of a battery may be connected to at least one sensor or a plurality, for example, three sensors, for. B. foil sensors, be equipped to from its or their measurements of gas pressure and / or forces and optionally other independently detected, measured values such as cell terminal voltage, an exact, decoupled, calculation of SOH (State of Health), SOC ( State of charge) and hermeticity of the battery cell.
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.Advantage of such a combination solution is that the state of charge can be decoupled from the aging state of the cell by the sensor signal of the sensor for detecting the gas pressure with the signal of the sensor or sensors for detecting the force is calculated. Furthermore, values can be consulted about an expansion of the cell coils on the surface in order to "almost eliminate" an influence by neighboring cells and thus to determine the signal of the individual cell. Alternatively, a measurement of cell terminal voltages can be used for this purpose. Thus, the final statement about SOC and SOH of the battery cell is much more accurate. Due to the A more accurate detection of the pressure conditions is also a controllable faster charging and discharging of the battery cells possible.
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.Despite the aggravating circumstance that not only several cells expand differently in a cell module, but can even influence one another via their contacting cell walls, an unambiguous assignment of an emerging force to an individual cell of a battery or of a cell module can be carried out. Furthermore, a leakage of a cell, for example in the form of an opening caused by a damage of the cell, can be clearly detected, as this also leads to an influence on the swelling force.
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.In this respect, the detected pressure conditions can be used to increase cell safety. A condition monitoring, with which, for example, an exceeding of critical reference values can be detected, allows z. B. via an evaluation unit (eg ASIC) a passing of a warning signal to the battery management. Furthermore, a controllable faster charging and discharging of the battery cells can be made possible due to the detection of the pressure conditions. A further advantage of the concept proposed here is that the detection of the pressure conditions can also be realized in the dismantled state of the battery and thus a safe recycling of the cells can be made possible. Also, with a detected battery volume increase, the pressure can be reduced piezoelectrically, and with a detected battery volume reduction, the pressure can be increased piezoelectrically.
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.A device for determining a state variable of a cell for the conversion of chemical energy into electrical energy, wherein the cell comprises at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element, has the following features:
a force sensor for determining a volume change of the cell to determine the state quantity based on the volume change; and or
a gas pressure sensor for determining an internal gas pressure of the cell in a free space of the cell located between the at least one galvanic element and the housing in order to determine the state quantity based on the internal gas pressure.
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.The cell for converting chemical energy into electrical energy may be a battery cell of a rechargeable battery for driving an electric or hybrid vehicle. For example, the cell may be a lithium-ion cell. The cell may be formed as a prismatic cell with a cuboid housing. The housing may completely enclose the galvanic element or a plurality of galvanic elements and be made of aluminum, for example. The galvanic element may comprise two electrolytic contacting electrodes for the conversion of chemical to electrical energy. The electrodes may be in wound form. Such a cell coil may have an elongated flat shape, so that, for example, a plurality of galvanic elements can be accommodated next to each other in a space-saving manner in the housing of the cell. The state variable can be z. B. relate to a strain state or an internal gas pressure of the cell. For example, the electrodes may increase or decrease in dependence on a state of charge of the galvanic element, or, as a result of aging processes, gas can develop in the cell, as a result of which the cell can inflate and expand. The galvanic element can have an electrically insulating covering foil, which is designed to surround the electrodes and the electrolyte of the galvanic element in a fluid-tight manner. The wrapping film may be formed of an elastic material, for example of a suitable plastic. Thus, the cladding film can adapt to the running within the galvanic element chemical and / or physical processes and expand accordingly and contract again. For electrical contacting, the cell may comprise two contacts guided through a wall of the housing, one of which is electrically connected to the electrode designed as the cathode and the other is electrically connected to the electrode designed as the anode.
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. The force sensor can be designed to detect a force acting on the cell due to the chemical and / or physical processes of the galvanic element. For example, the force sensor can be understood as a measuring device for detecting distending deformations. For this purpose, the force sensor can be firmly connected to at least one subregion of the galvanic element. Due to the fixed connection, the force sensor can also expand with an expansion of the galvanic element, so that a degree of expansion and thus a strain state of the galvanic element can be deduced based on a detected tensile force connected to the strain on the force sensor. For detecting the strain of the force sensor z. B. have a strain gauge. Alternatively, it may be in the force sensor z. B. act to a piezo-force transducer. This can z. Example, be used by a force acting on the cell by an expansion of the galvanic force by detecting a charge distribution in the force transducer, which is proportional to the force measures. The force sensor can, for. B. on a main page or one of the contacts of the cell aligned narrow side of the galvanic element may be arranged.
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.The gas pressure sensor can be decoupled from an expansion of the galvanic element in the free space of the cell and be designed to detect existing pressure conditions or pressure changes in the free space. Such pressure changes can z. B. consequence of a loading and unloading of the galvanic cell based so-called respiration of the galvanic cell. Further, outgassing of a defective galvanic element may cause an increase in the gas pressure inside the cell, which may be detected by the gas pressure sensor. The free space of the cell can be formed in an upper region of the cell between the housing wall having the contacts and the narrow side of the galvanic element which faces the housing wall. Embodiments of the apparatus may include a plurality of force sensors and / or a plurality of gas pressure sensors.
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.According to one embodiment, the force sensor, in its function as a strain sensor, may be arranged and formed on a narrow side of the galvanic element facing the free space, in order to detect a stretch of the narrow side based on a change in volume of the galvanic element. For example, the force sensor can extend over a width of the narrow side and completely or at least at two points z. B. to be fixed to a cladding film of the galvanic element. This embodiment offers the advantage that an expansion of the galvanic element can be detected in a particularly exact and uninfluenced manner by a pressure of adjacent further galvanic elements or a wall of the housing of the cell.
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. Also, the force sensor may be arranged and formed on a main side of the galvanic element adjacent to a wall of the housing or to another galvanic cell of the cell, to operate on the main side based on a volume change of the galvanic element and / or the further galvanic element To capture pressure. For example, the force sensor may be fixed centrally on a main side of the galvanic element. This embodiment offers the advantage that the force sensor is located in a force path extending transversely to the main side and thus is particularly well suited for measuring a respiration of the cell due to charging and discharging processes of the galvanic element or the galvanic elements of the cell. In this embodiment, the force sensor can be used both as a strain sensor and as a piezo force transducer.
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.Alternatively, instead of the position on the main side of the galvanic element, the force sensor can also be arranged at approximately the same height on an outer side of the housing of the cell if an additional cell adjoins this outer side to form a cell module comprising several cells. In this way, the respiration of the cell can be detected.
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.When using the gas pressure sensor in the device, this can be arranged in the free space of the cell. The gas pressure sensor may be designed to detect an internal gas pressure of the cell based on a change in volume of the galvanic element and / or a component leakage from the galvanic element.
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.The state variable can here represent a state of charge and / or an aging state and / or a leak tightness of the cell. The state of charge can describe a current charging or discharging process of the cell and, for example, from a currently prevailing ambient pressure, eg. As the air pressure can be influenced. This circumstance can also be taken into account by the device presented here. The aging state and tightness of the cell can correlate with a state of health of the cell. In particular, a combination of force sensor and gas pressure sensor can make it possible to determine whether z. B. a detected defect in the cell to an aging of the cell or z. B. is due to a crack of a cladding film of the galvanic element. With the exact assignment of a detected value to different functionalities of the cell, a battery management system using the device can work particularly effectively and thus reduce maintenance and repair costs and improve the safety of a vehicle.
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.In particular, the force sensor and / or the gas pressure sensor can be designed as an elastic film functionalized for a measured value acquisition. For example, the force sensor and / or the gas pressure sensor can be applied to a wrapping film enclosing the galvanic element or be part of such a wrapping film. The advantage of this embodiment is that the sensor can adapt so well to an expansion of the galvanic element and thus capture a measured value in a particularly unadulterated and loss-free manner. Also, the force or gas pressure sensor is particularly space-saving and easy to install in this embodiment. In a particular embodiment, force and gas pressure sensors may be combined in a single foil spanning the entire cell coil.
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.A cell for the conversion of chemical energy into electrical energy is characterized in that it comprises a device according to a has the previously explained embodiments.
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.A cell module for providing electrical energy has the following features:
a plurality of cells for converting chemical energy into electrical energy, each of the plurality of cells comprising at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element, and wherein the cells of the plurality of cells are arranged in a row adjacent to each other;
a clamping element encompassing the plurality of cells, which is designed to provide a back pressure acting against a pressure caused by a change in volume of the cells; and
at least one device according to one of the embodiments explained above, which is associated with at least one of the plurality of cells of the cell module.
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. The cell module can for example form a drive accumulator for an electric or hybrid vehicle or be part of such a drive accumulator. The tensioning element can be designed as a tensioning band, which is guided around a broad side of the cell arrangement and closely surrounds it. Thus, the tensioning element can provide a back pressure for a widening of the cells caused by volume change of the galvanic cells. Correspondingly, the change in volume of galvanic elements can only result in an attempted expansion of the cells, with the forces acting on the inside of the cell then being able to be better detected and measured by the sensors arranged there. Only one of the cells of the module may have the device proposed herein, or the device may be installed in each of the cells. The device may in each case have a different number of the gas pressure and / or force sensors forming it.
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.A method for determining a state quantity of a cell for the conversion of chemical energy into electrical energy, wherein the cell comprises at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element, may comprise the following step:
Determining the state quantity based on a signal representing a volume change of the cell and / or an internal gas pressure of the cell.
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. The signal representing the volume change and / or the internal gas pressure may be provided by the force sensor and / or the gas pressure sensor of the device. Thus, the method may be performed by devices of the device or by a control device coupled, for example, with a corresponding device.
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. According to an embodiment, the method may comprise a step of determining the signal representing the volume change by detecting an extension of a narrow side of the galvanic element facing a clearance between the at least one galvanic element and the housing and / or detecting a change in volume Thus, in the step of determining, a state of charge of the cell represented by the state quantity can be determined. For example, the method may each use a signal of a first force sensor arranged on the narrow side of the galvanic element and of a second force sensor arranged on the main side of the galvanic element, the state of charge being limited by a correlation of the two signals. B. can be clearly distinguished from an expansion of the element due to a defect. Thus, superfluous maintenance operations can be effectively avoided.
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.The method may also include a step of determining the signal representing the internal gas pressure of the cell, namely by detecting an internal gas pressure based on the volume change of the galvanic element and / or a component exit from the galvanic element in the free space of the cell. Thus, in the step of determining, a density of the cell represented by the state quantity can be determined.
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.For example, one or more steps of the method may be performed by a controller that may be connected to the cell via a CAN bus of a vehicle. For example, a suitable algorithm can be used to determine the state variable.
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. The control unit can be designed to perform or implement the steps of the method according to the invention in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
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.In the present case, a control device can be understood to mean an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The controller may have interfaces that may be designed in hardware and / or software. In a hardware training, the Interfaces, for example, be part of a so-called system ASICs that includes a variety of functions of the controller. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
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.A computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program product is installed on a computer or a device is also of advantage is performed.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
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.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Die Zelle
Der erste Kraftsensor
Bei der in
Anschlüsse der Sensoren
Aus
Wie die Darstellung in
In einem Schritt
Gemäß weiteren und in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen des Verfahrens
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. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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