DE102012209397A1

DE102012209397A1 - Batteriezelle mit drucksensitivem Foliensensor

Info

Publication number: DE102012209397A1
Application number: DE201210209397
Authority: DE
Inventors: Jens Schneider; Christian Pankiewitz; Remigius Has; Fabian Henrici
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-12-05
Also published as: CN103457005A; CN103457005B; FR2991510B1; FR2991510A1; JP2013251267A; JP6151577B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) mit einem Zellgehäuse (12) und einem innerhalb des Zellgehäuses (12) angeordneten Elektrodenwickel (20). Der Elektrodenwickel (20) ist zumindest bereichsweise von einem drucksensitiven Foliensensor (30) bedeckt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Batteriemanagementsystem einer Batterie, die mindestens eine solche Batteriezelle (10) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle und ein Batteriemanagementsystem für eine Batterie, die eine entsprechende Batteriezelle enthält. Ferner wird ein Hybrid- und Elektrokraftfahrzeug mit einem solchen Batteriemanagementsystem zur Verfügung gestellt.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen Batterien zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. In der Regel werden mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul und anschließend mehrere Batteriemodule durch Parallel- oder Reihenschaltung zu einer Batterie zusammengefasst. Eine große Herausforderung hierbei ist ein effektives Batteriemanagementsystem, welches die Funktion der einzelnen Zellen der Batterie überwacht und deren Ladevorgang steuert. Auf diese Weise können zum Beispiel defekte Zellen abgeschaltet und/oder überbrückt und Zustandsmeldungen über den Ladezustand ausgegeben sowie Batteriezellen gegebenenfalls gebalanced werden.
Lithium-Ionen-Batteriezellen des Standes der Technik weisen in der Regel ein metallisches Zellgehäuse auf, in dem mindestens ein Elektrodenwickel angeordnet ist. Der Elektrodenwickel umfasst zwei metallische Substrate, die mit dem aktiven Katoden- beziehungsweise Anodenmaterial beschichtet sind. Zwischen den beiden Substraten befindet sich ein Separator. Eine elektrische Verbindung der Zelle erfolgt über die Ober- und Unterseite des Elektrodenwickels.
Ferner ist bekannt, dass Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgrund der unterschiedlichen Ladezustände erheblicher Volumenausdehnung und Volumenkontraktion ausgesetzt sind; das heißt, die Elektrodenwickel der Zellen dehnen sich beim Laden aus und ziehen sich beim Entladen wieder zusammen. Diese Volumenänderungen sind durch die Ein- beziehungsweise Auslagerungsvorgänge von Lithium-Ionen in der Elektrode bedingt. Diese Volumenänderung würde über die Batteriezellenhülle bei entsprechender Verformbarkeit der Zelle weiter nach außen getragen und zu einer Änderung der geometrischen Abmaße der Batterie führen. Bei den Lithium-Ionen-Batteriezellen des Standes der Technik besteht das Gehäuse daher aus einem starren metallischen Körper.
US 2006/0246345 A1 beschreibt ein Batteriemodul auf Basis von Lithium-Ionen-Batteriezellen, bei dem zwischen den einzelnen Gehäusen der Zellen des Moduls piezoelektrische Sensoren angeordnet sind. Die von den Sensoren erfassten Messwerte werden dem Batteriemanagementsystem zugeführt und dienen beispielsweise der Batteriezustandserkennung.
DE 10 2007 063 188 A1 betrifft eine weitere Batterie, die sich aus einer Vielzahl von einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen zusammensetzt. Ein Drucksensor ist hierbei in das metallische Gehäuse der Zelle integriert oder befindet sich außen auf dem Gehäuse. Anhand der mittels des Drucksensors ermittelten elastischen Verformung des Gehäuses werden Aussagen über den Batteriezustand getroffen.
Nachteil bei den Lösungen des Standes der Technik ist unter anderem, dass die Platzierung eines Drucksensors in der Wandung des Gehäuses oder außen auf dem Gehäuse keine direkte Aussage über die Volumenänderung des Elektrodenwickels liefern kann. Demnach ist eine in allen Belangen zuverlässige Batteriezustandserkennung nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
Ein oder mehrere Nachteile des Standes der Technik werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, gelöst oder zumindest gemindert. Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse und einen innerhalb des Zellgehäuses angeordneten Elektrodenwickel auf. Die Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass der Elektrodenwickel zumindest bereichsweise von einem drucksensitiven Foliensensor bedeckt ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit Hilfe eines innerhalb des Zellgehäuses befindlichen und dort unmittelbar am Elektrodenwickel liegenden Foliensensors eine sehr genaue Messgröße für die Volumenänderung des Elektrodenwickels bereitgestellt werden kann. Der Foliensensor ist dabei als Drucksensor ausgelegt.
Vorzugsweise ist der drucksensitive Foliensensor als ein den Elektrodenwickel umlaufendes Band ausgelegt. Das heißt, der Foliensensor wird um den Elektrodenwickel (außerhalb der Anschlussstellen für die elektrische Verbindung) gewickelt.
Der drucksensitive Foliensensor weist insbesondere resistive, kapazitive, piezoresistive oder piezoelektrische Funktionselemente auf. Mit anderen Worten, der drucksensitive Foliensensor ist vorzugsweise ein resistiver, kapazitiver, piezoresistiver oder piezoelektrischer Drucksensor.
Ein piezoresistiver Drucksensor enthält eine Membran mit aufgebrachten elektrischen Widerständen und wird überwiegend als Silizium-Drucksensor hergestellt. Über eine druckabhängige Verformung der Membran und darauf eindiffundierte verformungsabhängige Widerstände kommt es zur Ausbildung einer elektrischen Spannung. Diese Drucksensoren sind kostengünstig herzustellen und weisen eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit auf. Zwar zeigen die zur Druckmessung eingesetzten Materialien eine starke Temperaturabhängigkeit, da aber dieser Einfluss auf alle Widerstände gleich ist, kann er durch eine differenzbildende elektrische Schaltung unwirksam gemacht werden.
Bei einem piezoelektrischen Sensor wird mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt. Durch Druck verschieben sich im Inneren des Kristalls Ionen, wodurch sich an der Oberfläche elektrische Ladung proportional zur Kraft bildet. Die Ladung wird durch einen Ladungsverstärker in eine proportionale elektrische Spannung umgeformt. Piezoelektrische Sensoren messen grundsätzlich nur Kräfte. Soll der Sensor in der Druckmesstechnik verwendet werden, muss erst über eine Membran der Druck proportional in eine Kraft umgeformt werden. Vorteile des piezoelektrischen Sensors sind unter anderem seine geringe Empfindlichkeit gegenüber hohen Temperaturen und hohe Empfindlichkeit.
Kapazitive Drucksensoren enthalten zwei Kondensatoren. Bei Druckbeaufschlagung werden die Abstände einer Membran zu zwei beidseitig gegenüberliegenden Kondensatorplatten und dadurch die Kapazitäten der Kondensatoren gegenläufig verändert. Meistens sind die Kondensatoren Teil eines internen Verstärkers, dessen Ausgangssignal von der Differenz der Kapazitäten abhängig ist.
Besonders bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der der drucksensitive Foliensensor ein piezoresistiver oder piezoelektrischer Foliensensor ist und eine Temperatur im Bereich des Foliensensors durch einen thermosensitiven Foliensensor erfasst wird. Hierdurch ist eine ganz unmittelbare und hochgenaue Korrektur der Temperaturabhängigkeit des Messwertes möglich.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn ein Elektrodenanschluss der Batteriezelle als Signalleitung für den drucksensitiven Foliensensor dient. Mit anderen Worten, die Übertragung der Messsignale erfolgt nach dem Prinzip einer Powerline, wie sie beispielsweise bei bekannten Trägerfrequenzanlagen zur Sprach- und Datenübertragung über vorhandene Kommunikations- und Stromnetze genutzt wird. Dazu werden die Signale zusätzlich über ein oder mehrere Trägerfrequenzen auf die bereits vorhandene Leitung moduliert. Hierdurch ist ein besonders kompakter Aufbau der Batteriezelle möglich und ein zusätzliches Bonden von Signalleitungen zum Foliensensor entfällt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Batteriemanagement-Systems einer Batterie, die mindestens eine Batteriezelle der vorgenannten Ausführung enthält. Das Batteriemanagementsystem umfasst eine Batteriezustandserkennung. Die Batteriezustandserkennung wiederum ist ausgelegt, einen von dem drucksensitiven Foliensensor bereitgestellten Messwert oder eine von diesem Messwert abgeleitete Größe einzulesen und als Auswerteparameter zur Bestimmung des Batteriezustands zu nutzen. Insbesondere ist die Batteriezustandserkennung ausgelegt, mit Hilfe des Messwertes beziehungsweise der abgeleiteten Größe einen Ladezustand (SOC) oder Alterungszustand (SOH) der Batterie zu bestimmen. Auf Basis dieser Kenngrößen kann beispielsweise eine Vorhersage der Batteriespannung bei vorgebbaren Lastprofilen (SOF) erfolgen, was wiederum als Eingang in ein elektrisches Energiemanagement zur Steuerung der Energieflüsse innerhalb des Kraftfahrzeuges dienen kann. Mit anderen Worten, durch die Detektion der Druckverhältnisse an den Elektrodenwickeln ist eine direkte Aussage über den Ladezustand der Batterie (State of Charge, SOC) möglich. Ferner können Aussagen über den Alterungszustand (State of Health, SOH) getroffen werden, da sich mit der Zeit eine Verschlechterung der elektro-chemischen Eigenschaften, wie beispielsweise der verfügbaren Kapazität der Zelle, einstellt. Somit werden sich auch die Druckverhältnisse an den Elektrodenwickeln nach vielen Ladezyklen oder aufgrund möglicher irreversibler Schädigung der Batteriezellen verändern. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit der Erhöhung der Zellsicherheit. Batteriezellen bestehen aus hochreaktiven, brennbaren Materialien, die bei extremen äußeren Einflüssen (große Hitze, Überladung, mechanische Deformation) eine große Gefahrenquelle darstellen. Aufgrund der Detektion der Druckverhältnisse direkt am Elektrodenwickel können sehr frühzeitig Gegenmaßnahmen indiziert werden, bevor hier zum Beispiel eine spontane exotherme Reaktion ausgelöst wird, die zur Entzündung oder Explosion der Batterie führen könnte. Diese Gegenmaßnahmen umfassen beispielsweise ein schnelles und kontrolliertes Endladen der Batteriezellen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeug, das ein solches Batteriemanagementsystem beinhaltet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Batteriezelle in einer Teilschnittansicht.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in einer Teilschnittansicht eine Batteriezelle 10. Die Batteriezelle 10 umfasst ein metallisches Zellgehäuse 12, dessen Oberseite von einem Deckel 14 verschlossen ist. Im Bereich des Deckels 14 sind ein negativer Pol 16 und ein Überdruckventil 18 angeordnet. Im Inneren des Zellgehäuses 12 befindet sich ein Elektrodenwickel 20, der eine Wicklung aus Anode 22, Kathode 24 und dazwischen angeordnetem Separator 26 ist. Die Anode 22 wird an der Oberseite des Elektrodenwickels 20 über einen Ableiter 28 mit dem negativen Pol 16 elektrisch verbunden. Die Kathode 24 liegt am metallischen Zellgehäuse 12 an, das den positiven Pol bildet.
Direkt am Elektrodenwickel 20 befindet sich ein drucksensitiver Foliensensor 30, hier in Form eines kapazitiven Drucksensors. Wie hier dargestellt, ist der Separator 26 auch um den Foliensensor 30 gewickelt. Der Foliensensor 30 kann jedoch auch nur auf der Außenseite des Elektrodenwickels 20 aufgebracht sein.
Das Einbringen des Foliensensors 30 kann direkt in den Herstellungsprozess des Elektrodenwickels 20 beziehungsweise der Batteriezelle 10 integriert werden und führt damit zu einer deutlichen Kostenersparnis. Der Foliensensor 30 besitzt eine sehr geringe Bauhöhe, behindert damit nicht den Ablauf der Zellchemie. Da beispielsweise Zuleitungen des Foliensensors 30 mit aufgedruckt werden können, benötigen die Foliensensoren 30 in der Regel auch keine zusätzlichen Bondprozesse. Der Foliensensor 30 kann beispielsweise auch als Schutzfolie des Elektrodenwickels 20 dienen.
Der drucksensitive Foliensensor 30 kann resistive, kapazitive, piezoresistive oder piezoelektrische Funktionselemente aufweisen, die unter Zuhilfenahme der üblichen Herstellungsfahren erzeugt werden. So können beispielsweise Druck-, Laminier- oder Klebeverfahren Anwendung finden. Um eine Volumenkontraktion und die daraus resultierenden mechanischen Spannungen zwischen den Schichten des Elektrodenwickels 20 gut zu detektieren, sollten die Randbereiche des Elektrodenwickels 20 nicht ausgewertet werden beziehungsweise nicht mit dem Foliensensor 30 versehen werden.
In einer Ausführungsform kann der Foliensensor ein kapazitiver Foliensensor 30 sein. Hierzu wird auf einer polymeren Trägerfolie eine vollflächige oder strukturierte, flache erste Metallisierung, zum Beispiel mit Aluminium, als Elektrode aufgetragen. Die Metallisierung wird von einem Dielektrikum überdeckt, das in Form eines elastisch-rückstellbar verformbaren Materials (zum Beispiel Polyimide) bereitgestellt wird. Hierauf wird erneut eine vollflächige oder strukturierte, flache zweite Metallisierung aufgetragen, wobei die durch die Metallisierung entstehende Elektrode im Wesentlichen parallel der Elektrode der ersten Metallisierung angeordnet ist. Schließlich folgt eine Abdeckschicht (zum Beispiel eine Lackschicht oder Polymerfolie als Korrosions- oder Oxidationsschutzschicht). Durch eine Abstandsänderung der beiden Elektroden ändert sich auch die Kapazität, und aus dieser Größe kann auf den vorherrschenden Druck innerhalb der Batteriezelle geschlossen werden beziehungsweise eine Volumenänderung des Elektrodenwicklers erfasst werden.
Alternativ kann der Foliensensor auch als piezoelektrischer Foliensensor 30 ausgelegt sein. Piezoelektrische Folien bestehen vorzugsweise aus Polyvinylidenflouriden (PVDF), einem transparenten, teilkristallinen Thermoplast, der zur Herstellung der piezo-elektrischen Eigenschaften polarisiert, das heißt erwärmt, eindimensional gestreckt und dabei zur Ausrichtung der Dipole einem starken gerichteten elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Zur Ableitung der bei Verformungen entstehenden Dipolladungen sollte die PVDF-Folie metallisch beschichtet werden. Diese Metallbeschichtung besteht vorzugsweise aus Gold oder Kupfer-Nickel-Legierungen. Die Ladungen können dann mittels Elektroden am Rand der piezoelektrischen Folie abgegriffen und mittels eines Ladungsverstärkers in eine messbare elektrische Spannung umgewandelt werden. Eine Energieversorgung des Sensors kann beispielsweise mit Hilfe der Batteriespannung erfolgen.
Der vom Foliensensor 30 bereitgestellte Messwert wird über den Ableiter 28 und negativen Pol 16 auf die Anschlussleitung der Batterie (hier nicht dargestellt) als Trägerfrequenz moduliert. Ein (hier ebenfalls nicht dargestelltes) Batteriemanagementsystem erfasst diesen Messwert und wertet diesen unter anderem bei der Batteriezustandserkennung zur Bestimmung des Ladezustands (SOC) beziehungsweise Alterungszustands (SOH) aus. Die detektierten Druckverhältnisse können beispielsweise bei der Zustandsüberwachung der Batterie oder Ermittlung unterer Kennwerte der Batterie im Batteriemanagementsystem dienen. Die Detektion der Druckverhältnisse ermöglicht ebenso ein gefahrloses Recycling der Zellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0246345 A1 [0006]
DE 102007063188 A1 [0007]

Claims

Batteriezelle (10) mit einem Zellgehäuse (12) und einem innerhalb des Zellgehäuses (12) angeordneten Elektrodenwickel (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (20) zumindest bereichsweise von einem drucksensitiven Foliensensor (30) bedeckt ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der der drucksensitive Foliensensor (30) als ein den Elektrodenwickel (20) umlaufendes Band ausgelegt ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der drucksensitive Foliensensor (30) resistive, kapazitive, piezoresistive oder piezoelektrische Funktionselemente aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Elektrodenanschluss der Batteriezelle (10) als Signalleitung für den drucksensitiven Foliensensor (30) dient.
Batteriezelle nach Anspruch 3, bei der der drucksensitive Foliensensor (30) ein piezoresistiver oder piezoelektrischer Foliensensor ist und eine Temperatur im Bereich des Foliensensors (30) durch einen thermosensitiven Foliensensor erfasst wird.
Batteriemanagementsystem einer Batterie, die mindestens eine Batteriezelle (10) mit einem Zellgehäuse (12) und einem innerhalb des Zellgehäuses (12) angeordneten Elektrodenwickel (20) aufweist, wobei das Batteriemanagementsystem eine Batteriezustandserkennung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (20) der Batteriezelle (10) zumindest bereichsweise von einem drucksensitiven Foliensensor (30) bedeckt ist und die Batteriezustandserkennung ausgelegt ist, einen von dem drucksensitiven Foliensensor (30) bereitgestellten Messwert oder eine von diesem Messwert abgeleitete Größe einzulesen und als Auswerteparameter zur Bestimmung des Batteriezustands zu nutzen.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 6, bei dem die Batteriezustandserkennung ausgelegt ist, mit Hilfe des von dem drucksensitiven Foliensensor (30) bereitgestellten Messwerts oder einer von diesem Messwert abgeleiteten Größe einen Ladezustand (SOC) oder Alterungsgrad (SOH) zu bestimmen.
Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge mit einem Batteriemanagementsystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7.