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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Volumens oder der Volumenänderung wenigstens einer Batterieeinzelzelle.
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Batterien, insbesondere sogenannte Hochvolt- oder Hochleistungsbatterien, wie sie als Traktionsbatterien in elektrisch angetriebenen oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, sind normalerweise aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen aufgebaut. Diese Batterieeinzelzellen können beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie realisiert sein. Verschiedene Bauformen von Batterieeinzelzellen sind dabei bekannt und allgemein üblich. Neben runden Batterieeinzelzellen, welche in becherförmigen Gehäusen angeordnet sind, spielen bei aktuellen Entwicklungen vor allem Batterieeinzelzellen mit einer im Wesentlichen prismatischen Form eine entscheidende Rolle. Solche Batterieeinzelzellen werden beispielsweise prismatisch mit Rahmen und darauf angeordneten flächigen Deckeln als Gehäuse für die Batterieeinzelzelle ausgebildet, oder werden in besonders einfacher Art und Weise als Stapel der elektrochemisch aktiven Elemente zwischen zwei Folien oder in einen Folienbeutel eingelegt und durch Verschweißen der Folien bzw. des Folienbeutels gegenüber der Umgebung abgedichtet. Diese Bauart wird typischerweise als Pouch-Zelle oder gelegentlich auch als Coffeebag-Zelle bezeichnet.
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Bei Einzelzellen für Batterien ist es nun so, dass diese im regulären Betrieb durch das Laden und Entladen eine gewisse Volumenänderung erfahren können. Außerdem kann es zu einer Volumenänderung kommen, wenn unerwünschte Vorgänge innerhalb der Batterieeinzelzelle ablaufen, beispielsweise wenn es zu einer Gasung kommt, zu einer Veränderung der elektrochemischen Strukturen oder dergleichen. Nun wäre es für die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung der Batterieeinzelzellen von entscheidender Bedeutung, diese Volumenänderung bei bestimmten Betriebszuständen der Batterieeinzelzelle exakt erfassen zu können. Dies ist entsprechend aufwändig und schwierig. Typischerweise erfolgt deshalb unter Laborbedingungen eine Messung der Dicke der im Wesentlichen prismatisch ausgebildeten Batterieeinzelzelle. Auf Basis einer eventuellen Dickenänderung wird dann eine Volumenänderung abgeschätzt. Dies ist jedoch im Ergebnis vergleichsweise ungenau und damit typischerweise sehr unbefriedigend.
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Versuche haben gezeigt, dass der Einsatz moderner Technologien, wie beispielsweise eines 3D-Laserscanners, bei den meisten Bauarten der Batterieeinzelzellen, insbesondere bei den sogenannten Pouch-Zellen, zu keinem oder nur einem sehr ungenügenden Ergebnis führt. Voraussichtlich liegt dies an der vergleichsweise geringen Dicke der verschweißten Bereiche der Folie der Pouch-Zelle. Eine Volumenbestimmung bzw. Bestimmung einer Volumenänderung über einen 3D-Laserscanner ist daher für Batterieeinzelzellen, insbesondere von Pouch-Zellen, keine Lösung.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine funktionierende Lösung zum Bestimmen des Volumens bzw. einer Volumenänderung einer Batterieeinzelzelle anzugeben, welche eine deutlich höhere Genauigkeit als die reine Dickenmessung aufweist, und welche anders als beispielsweise ein 3D-Laserscanner unabhängig von der Bauart der Batterieeinzelzelle ein sehr exaktes Ergebnis des Volumens bzw. der Volumenänderung liefert.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass zum Bestimmen des Volumens oder der Volumenänderung wenigstens einer Batterieeinzelzelle die Batterieeinzelzelle vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht wird, wonach ein veränderter Füllstand der Flüssigkeit und/oder eine veränderte auf die wenigstens eine Batterieeinzelzelle wirkende Kraft zur Volumenbestimmung ausgewertet wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Batterieeinzelzelle also in dem Zustand, in dem ihr Volumen bestimmt werden soll, vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht. Nun kann beispielsweise durch den sich verändernden Füllstand der Flüssigkeit, welcher an einer Skala innerhalb des Gefäßes, in dem die Flüssigkeit sich befindet, abgelesen werden kann, oder welcher bei einer vollständigen Füllung des Gefäßes aufgrund des übergetretenen Volumens an Flüssigkeit aus dem Gefäß bestimmt werden kann, auf das Volumen der Batterie zurückgeschlossen werden. Hierdurch lässt sich beispielsweise bei mehreren Messungen nicht nur das Volumen sondern auch eine Volumenänderung erfassen. Alternativ dazu ist es natürlich auch möglich, insbesondere wenn der Füllstand der Flüssigkeit in dem Gefäß beobachtet wird, eine während des Betriebs der Batterieeinzelzelle in der Flüssigkeit auftretende Volumenänderung durch einen veränderten Füllstand zu erfassen. Dies kann beispielsweise über eine Skala oder mittels einer an sich bekannten optischen Sensorik erfolgen. Ergänzend oder alternativ dazu kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine auf die wenigstens eine Batterieeinzelzelle wirkende Kraft, welche sich mit dem Eintauchen der Batterieeinzelzelle in die Flüssigkeit entsprechend verändert, erfasst werden. Aus einer solchen Kraft, welche faktisch aus den Auftrieb aufgrund der verdrängten Flüssigkeit resultiert, kann bei bekannter Dichte der eingesetzten Flüssigkeit dann auf das Volumen der Batterieeinzelzelle bzw. eine eventuelle Volumenänderung zurückgerechnet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei außerordentlich exakt und vergleichsweise einfach im Handling, da es im Labor sehr effizient in einem sehr kostengünstigen Aufbau durchgeführt werden kann. Bei entsprechender Dimensionierung des Gefäßes und Wahl einer geeigneten Flüssigkeit ergeben sich so sehr viele Möglichkeiten, um beispielsweise durch Wiegen oder Messen und/oder eine Kombination hiervon das Volumen sehr exakt zu bestimmen, wobei eventuelle Messfehler durch eine Kombination der unterschiedlichen Verfahren und eine Mittelwertbildung der erfassten Volumina sehr gut ausgeglichen werden können.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei als Flüssigkeit eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit, insbesondere deionisiertes Wasser, verwendet. Die Verwendung einer solchen elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit erlaubt neben der reinen Volumenbestimmung der Batterie auch den Betrieb der Batterieeinzelzelle innerhalb der Flüssigkeit, sodass beispielsweise im Betrieb auftretende Volumenänderungen sehr einfach und effizient erfasst werden können. Im Prinzip sind dabei verschiedene nicht elektrisch leitende Flüssigkeiten möglich, beispielsweise Öle, Ester oder dergleichen. Insbesondere soll jedoch deionisiertes Wasser eingesetzt werden, weil dieses entsprechend einfach und kostengünstig verfügbar ist, und da beim Einsatz von deionisiertem Wasser keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen eingehalten werden müssen, wie beispielsweise beim Einsatz von Estern, sodass der Aufwand insgesamt sinkt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass die Kraft auf die wenigstens eine Batterieeinzelzelle über einen Federkraftsensor erfasst wird. Ein solcher Federkraftsensor ist in der Lage, die Kraft vergleichsweise einfach und sehr exakt zu erfassen, sodass aufgrund der Kraft sehr zuverlässig auf das Volumen bzw. eine Volumenänderung bei einer sich verändernden Kraft zurückgerechnet werden kann. Die Kraft kann dabei in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens über eine Umlenkeinrichtung von der wenigstens einen Batterieeinzelzelle zu dem Federkraftsensor geleitet werden, sodass dieser auch bei einer Kraftrichtung in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche einfach außerhalb der Flüssigkeit platziert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden aus den Ausführungsbeispielen ersichtlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine dreidimensionale Ansicht einer möglichen Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle;
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2 eine teilweise Schnittdarstellung durch die Batterieeinzelzelle gemäß 1;
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3 einen ersten möglichen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 einen zweiten möglichen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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5 einen dritten möglichen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Darstellung der 1 ist eine Batterieeinzelzelle 1 in einer dreidimensionalen Ansicht zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 1 ist dabei als sogenannte Pouch-Zelle ausgebildet. Die elektrochemisch aktiven Materialien, welche in der teilweisen Schnittdarstellung der 2 als Stapel 2 von Elektroden und Separatoren prinzipmäßig angedeutet sind, sind zwischen zwei Folien angeordnet, wobei der Folienbeutel bzw. die Folien 3 in ihrem um den Stapel 2 umlaufenden Randbereich miteinander verschweißt sind. Dieser Bereich wird typischerweise als Siegelnaht 4 bezeichnet. Durch die Siegelnaht 4 ragen lediglich die beiden mit den jeweiligen Elektroden verbundenen elektrischen Anschlussfahnen 5 hindurch. Diese elektrischen Anschlussfahnen 5 werden dann in an sich bekannter Art und Weise beim Aufstapeln der Batterieeinzelzellen 1 zu einer Gesamtbatterie untereinander kontaktiert, beispielsweise um eine Parallelschaltung und/oder eine Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen 1 zu realisieren.
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Im Betrieb der Batterieeinzelzellen 1, insbesondere bei ungünstigen Betriebsbedingungen, kann es nun dazu kommen, dass sich im Inneren der Batterieeinzelzelle 1 bzw. zwischen den Folien 3 beispielsweise durch Gasung, durch ein Aufquellen der Materialien oder dergleichen, das Volumen vergrößert. Auch kann sich ein höherer Druck aufbauen, was ebenfalls zur Folge hat, dass die Batterieeinzelzelle 1 ihr Volumen entsprechend ändert. Eine solche Volumenänderung möglichst exakt zu erfassen ist für die Weiterentwicklung der Batterieeinzelzelle 1 von entscheidender Bedeutung.
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Um nun sehr einfach und effizient eine sehr exakte Bestimmung des Volumens der Batterieeinzelzelle 1 vornehmen zu können, wird diese, wie es in der Darstellung der 3 prinzipmäßig angedeutet ist, vollständig in eine in einem Behälter 6 befindliche Flüssigkeit 7 getaucht. Vor dem Eintauchen der Batterieeinzelzelle 1 hat die Flüssigkeit 7 dabei die gestrichelt dargestellte Oberfläche 8, danach die durchgezogen dargestellte Oberfläche 8. Diese Veränderung in der Flüssigkeitsoberfläche kann gemessen werden, beispielsweise über eine optische Maßskala, welche manuell oder mit Hilfe einer Bildverarbeitung ausgewertet wird. Genauso gut sind andere Füllstandssensoren zum exakten Bestimmen der Höhe des Füllstands der Flüssigkeit 7 in dem Behälter 6 denkbar und möglich. Bei bekannter Grundfläche des Behälters 6 lässt sich so aus der Verschiebung der Flüssigkeitsoberfläche 8 zur Flüssigkeitsoberfläche 8, nachdem die Batterieeinzelzelle 1 vollständig in die Flüssigkeit 7 eingetaucht ist, das Volumen der Batterieeinzelzelle 1 einfach und sehr exakt bestimmen. Die Flüssigkeit 7 kann dabei insbesondere eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit, vorzugsweise deionisiertes Wasser, sein. Dies ermöglicht sogar den Betrieb der vollständig untergetauchten Batterieeinzelzelle 1 innerhalb der Flüssigkeit 7, sodass Volumenänderungen, welche beispielsweise mit einer Änderung der elektrischen Betriebsbedingungen der Batterie einhergehen, direkt, während sie auftreten, erfasst und gemessen werden können. Die Messung ist dabei außerordentlich exakt und dennoch sehr einfach in ihrer Durchführung.
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Eine alternative Variante zum Bestimmen des Volumens der Batterieeinzelzelle 1 ist in der Darstellung der 4 prinzipmäßig angedeutet. Auch hier ist der Behälter 6 mit einer Flüssigkeit 7 gefüllt, in welche die Batterieeinzelzelle 1 vollständig eingetaucht ist. Die Oberfläche 8 der Flüssigkeit ändert sich bei dem in 4 dargestellten Aufbau dabei nicht, da über einen Überlauf 9 in dem Behälter für einen konstanten Füllstand an Flüssigkeit 7 gesorgt wird. Die überlaufende Flüssigkeit 7' sammelt sich in dem hier dargestellten Aufbau in einem Gefäß 10, welches unterhalb des Überlaufs 9 positioniert wird. Die übergelaufene Menge an Flüssigkeit 7' in dem Gefäß 10 entspricht dann in ihrem Volumen exakt dem Volumen der Batterieeinzelzelle 1. Das Volumen kann beispielsweise über eine Maßskala in dem Gefäß 10 abgelesen werden, oder es kann besonders einfach und effizient durch Wiegen des Gefäßes 10 mittels einer Waage 11, bevor die Flüssigkeit in das Gefäß 10 gelaufen ist, und danach erfasst werden. Zusammen mit der Dichte der Flüssigkeit 7 und der aktuellen Temperatur der Flüssigkeit 7 kann dann das Volumen der Flüssigkeit 7' und damit das exakte Volumen der Batterieeinzelzelle 1 sehr einfach berechnet werden.
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Eine dritte mögliche Ausführungsform ist in der Darstellung der 5 zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 1 ist dabei wiederum in die Flüssigkeit 7 vollständig eingetaucht. Der in 5 dargestellte Aufbau geht dabei davon aus, dass die mittlere Dichte der Batterieeinzelzelle 1 kleiner als die mittlere Dichte der Flüssigkeit 7 ist. Demnach kommt es nach dem Eintauchen der Batterieeinzelzelle 1 in die Flüssigkeit 7 zu einer Auftriebskraft auf die Flüssigkeit 7. Über eine Umlenkeinrichtung aus einer Umlenkrolle 12 und einem Faden 13 lässt sich diese Auftriebskraft einfach außerhalb des Behälters 6 über einen Federkraftsensor 14 messen. Dieser kann beispielsweise elektronisch ausgewertet oder auch manuell abgelesen werden. Zusammen mit der Dichte der Flüssigkeit 7 lässt sich somit aus der Auftriebskraft auf das exakte Volumen der Batterieeinzelzelle 1 zurückrechnen. Dieser Aufbau wäre so im Prinzip auch dann möglich, wenn die mittlere Dichte der Batterieeinzelzelle 1 größer als die mittlere Dichte der Flüssigkeit 7 ist. Die Batterieeinzelzelle 1 würde dann dennoch eine Auftriebskraft erfahren, wobei eine resultierende Kraft dann jedoch, anders als in der Darstellung der 5 angenommen, in Richtung der Schwerkraft wirkt. Eine direkte Messung einmal der Gewichtskraft der Batterieeinzelzelle 1 außerhalb der Flüssigkeit und einmal innerhalb der Flüssigkeit über den Federkraftsensor 14 wäre damit notwendig, wobei der Aufbau dahingehend vereinfacht werden könnte, dass in dieser Ausgestaltung auf die Umlenkrolle 12 und den Faden 13 entsprechend verzichtet werden kann.
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Die hier beschriebenen Ausführungsvarianten lassen sich dabei untereinander kombinieren, insbesondere kann sowohl eine Kraft als auch die verdrängte Flüssigkeit erfasst werden, sodass durch eine Mittelwertbildung der bestimmten Volumina der Batterieeinzelzelle 1 nach dem einen Verfahren und dem anderen Verfahren eventuelle Messungenauigkeiten in den Verfahren ausgeglichen werden können. Der erfasste Messwert lässt sich somit nochmals in seiner Qualität steigern.
