DE102013210150A1

DE102013210150A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102013210150A1
Application number: DE102013210150.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Reitzle; Sarmimala Hore; Joachim Fetzer; Ralf Angerbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-04

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Nachweis einer Gasentstehung in einer Batteriezelle (BZ), wobei der Umstand der Gasentstehung auf dem Wege eines elektrochemischen oder eines spektrometrischen oder eines spektroskopischen Prozesses innerhalb der Batteriezelle (BZ) nachgewiesen wird.

Description

Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Sicherheit beim Gebrauch von Batteriezellen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Nachweis einer Gasentstehung in einer Batteriezelle bekannt. Dabei werden zum Nachweis der Gasentstehung Sensoren außerhalb der Batteriezelle verwendet. Solche Sensoren zum Nachweis einer Gasentstehung sind aus dem Stand der Technik weitgehend bekannt.
So offenbart die EP 0723662 B1 einen Sensor zum Nachweis von Stickoxiden in einem Prüfgas.
Die DE 10 2007 35 A1 offenbart ein Verfahren zur Detektion eines Gases mit mindestens einer aktiven Komponente.
Ferner werden in der DE 10 2011 016 526 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dichtheitsüberprüfung eines elektrochemischen Energiespeichers, der als Batterieeinzelzelle oder als Batterie mit einer Mehrzahl von parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen ausgebildet ist, wobei mindestens eine Erfassungseinheit vorgesehen ist, mittels der eine Gaskonzentration in einem Gehäuse erfassbar ist, in der der elektrochemische Energiespeicher anordbar oder angeordnet ist. Zum Zweck der Bestimmung der Gaskonzentration sind Gaserfassungseinheiten am Gehäuse der Batterie angebracht.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Nachweis einer Gastentsehung in einer Batteriezelle. Dabei handelt es sich bei der Batteriezelle insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, die beispielsweise eine stationäre Anwendung oder eine Anwendung in einem Fahrzeug finden kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Umstand der Gasentstehung auf dem Wege eines elektrochemischen oder eines spektrometrischen oder eines spektroskopischen Prozesses innerhalb der Batteriezelle nachgewiesen wird.
Der Umstand, die Gasentstehung auf dem Wege eines oben genannten Prozesses innerhalb der Batteriezelle nachzuweisen, führt zu einer Erhöhung der Sicherheit von Personen im Umfeld einer Batteriezelle, bei der eine Gasentstehung eintritt oder eingetreten ist. Hintergrund der Erfindung ist die Erhöhung der Sicherheit im Umgang mit Batteriezellen und der Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Schädigung einer Batteriezelle und/oder die Verminderung von Auswirkungen von schadhaften Batteriezellen auf die Umgebung.
Durch den Umstand, den Nachweis der Gasentstehung innerhalb der Batteriezelle vorzunehmen, wird die Gasentstehung schneller nachgewiesen, als wenn das Gas erst aus der Batteriezelle austreten muss um nachgewiesen zu werden. Durch den schnelleren Nachweis können entsprechende Verfahrensschritte zur Sicherung der im Umfeld der Batteriezelle befindlichen Personen eingeleitet werden. Ferner wird durch die Vornahme des Nachweises innerhalb der Batteriezelle die die Wahrscheinlichkeit des Nachweises erhöht, da der Nachweis nicht erst dann geschieht, wenn das Gas aus der Batteriezelle ausgetreten ist und somit auch kleinere Mengen Gases, die gegebenenfalls außerhalb der Batteriezelle nicht nachweisbar sind, nachgewiesen werden können.
Erfindungsgemäß ist zudem eine Vorrichtung zum Nachweis einer Gasentstehung in einer Batteriezelle vorgesehen, wobei die Vorrichtung einen Sensor zum Nachweis einer Gasentstehung aufweist und der Sensor geeignet ist, die Gasentstehung auf dem Wege eines elektrochemischen oder eines spektrometrischen oder eines spektroskopischen Prozesses innerhalb der Batteriezelle nachzuweisen.
Der Nachweis auf dem Weg eines elektrochemischen, spektrometrischen oder eines spektroskopischen Prozesses führt zu dem vorteilhaften erfindungsgemäßen Umstand, auf bereits entwickelte und zuverlässige Nachweisverfahren nun innerhalb der Batteriezelle zurückgreifen zu können.
Ferner ist erfindungsgemäß eine Batteriezelle vorgesehen, die eine Vorrichtung zum Nachweisen einer Gasentstehung innerhalb einer Batteriezelle enthält.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Batteriemodul vorgesehen, das eine Batteriezelle enthält, wobei die Batteriezelle eine Vorrichtung zum Nachweis der Gasentstehung innerhalb einer Batteriezelle aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem spektrometrischen Prozess um einen massenspektrometrischen Prozess. Die Verwendung eines massenspektrometrischen Prozesses zum Nachweis der Gasentstehung führt zu dem vorteilhaften Umstand, Gasentsstehungen schon nach kurzen Zeiten nachweisen zu können.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem elektrochemischen Prozess um einen amperometrischen Prozess oder um einen voltammetrischen Prozess oder um einen Prozess zur Messung eines elektrischen Widerstandes. Die Verwendung eines elektrochemischen Prozesses zum Nachweis der Gasentstehung führt zu dem vorteilhaften Umstand, Gasentsstehungen schon nach kurzen Zeiten nachweisen zu können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung einen Sensor zum Nachweis einer Gasentstehung und eine Auswerteeinheit zur Bewertung der mit dem Sensor erzeugten Signale auf.
Dabei sind der Sensor und/oder die Auswerteeinheit vorzugsweise zumindest teilweise aus einem gasbeständigen Material, insbesondere aus einem gasbeständigen Kunststoff oder einem gasbeständigen Metall ausgeführt.
Die Ausführung des Sensors und/oder der Auswerteeinheit aus gasbeständigem Material, insbesondere aus gasbeständigem Kunststoff oder gastbeständigem Metall, führt zu dem Vorteil, die Gasentstehung auch im Fall aggressiver und chemisch aktiver Gase zuverlässig nachweisen zu können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Sensor und/oder die Auswerteeinheit zumindest teilweise von einem porösen Gehäuse umschlossen. Der Umstand, dass der Sensor und/oder die Auswerteinheit zumindest teilweise von einem porösen Gehäuse umschlossen sind führt zu dem erfindungsgemäßen Vorteil, den Sensor vor Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen gut schützen zu können. Hintergrund ist, dass ein poröses Gehäuse Druck-, Temperatur- und Fechtigkeitsschwankungen gut standhalten kann.
Dabei ist das Gehäuse beispielsweise weitestgehend unempfindlich gegenüber mindestens einer Veränderung der Temperatur im Inneren der Batteriezelle und/oder mindestens einer Veränderung des Druckes im Inneren der Batteriezelle und/oder mindestens einer Veränderung der Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle.
Die weitestgehende Unempfindlichkeit des Gehäuses gegenüber mindestens einer Veränderung der Temperatur im Inneren der Batteriezelle und/oder mindestens einer Veränderung des Druckes im Inneren der Batteriezelle und/oder mindestens einer Veränderung der Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle führt zu dem Vorteil, die Gasentstehung auch im Fall von Schwankungen der Temperatur und/oder des Drucks und/oder der Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle zuverlässig nachweisen zu können
Gemäß einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Veränderung im Inneren der Batteriezelle um beispielsweise 10°C bis 50°C und bei der Veränderung des Druckes im Inneren der Batteriezelle um eine Änderung von 1 bar bis 7 bar, insbesondere 1 bar bis 5 bar, und bei der Veränderung der Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle 10% der regelmäßigen Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Das Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in Form einer Batteriezelle mit einem innerhalb der Batteriezelle angeordneten Sensor.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Batteriezelle BZ mit einem innerhalb der Batteriezelle BZ angeordneten Sensor S schematisch dargestellt. K ist eine Kathode, A ist eine Anode der Batteriezelle BZ. BV ist ein Berstventil der Batteriezelle BZ; das Berstventil BV dient der kontrollierten Entgasung der Batteriezelle: Bei Überschreiten eines bestimmten Drucks im Inneren der Batteriezelle BZ öffnet sich das Berstventil BV und das Gas tritt aus der Batteriezelle BZ aus. JR ist eine zusammengerollte Anoden-Kathodenlage, die mittels einer isolierenden Schicht getrennt ist.
Der Sensor S dient dem Nachweis einer Gasentstehung innerhalb der Batteriezelle BZ. Bei den entstehenden Gasen kann es sich beispielsweise um Fluorwasserstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickoxid, insbesondere Stickstoffdioxid handeln.
Um den Nachweis zeitlich kurz nach der Gasentstehung sicherzustellen und um den Nachweis auch geringer Mengen Gases sicherzustellen, ist der Sensor S innerhalb der Batteriezelle BZ, beispielsweise neben dem Berstventil BV angeordnet. Der Sensor S kann dabei in direktem physischen Kontakt mit dem Berstventil BV stehen. Durch den direkten physischen Kontakt des Sensors S mit dem Berstventil BV werden vorzugsweise solche Gase nachgewiesen, die durch das Berstventil BV austreten und in die Umwelt der Batteriezelle BZ gelangen können. Ferner kann der Sensor S beispielsweise an einer nicht dargestellten Halterung im Inneren der Batteriezelle BZ angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sensor S an einer Zellenfläche der Batteriezelle BZ, insbesondere an einer Zellengroßfläche der Batteriezelle BZ anzuordnen.
Der Nachweis erfolgt erfindungsgemäß auf dem Weg eines elektrochemischen, eines spektrometrischen oder eines spektroskopischen Prozesses. Grundsätzlich gelingt der Nachweis der Gasentstehung dadurch, dass das entstandene Gas in Kontakt mit dem Sensor S kommt.
Im Fall des elektrochemischen Prozesses wird im Inneren des Sensors S beispielsweise ein elektrisches Feld zwischen zwei nicht dargestellten Elektroden erzeugt. Die Spannung oder die elektrische Leistung, die in diesem Fall zwischen den Elektroden anliegt beziehungsweise umgesetzt wird, hängt vom Gas zwischen den Elektroden ab und kann gemessen werden. Auf Grundlage der Messung der Spannung und/oder der elektrischen Leistung können Art und/oder Konzentration des Gases bestimmt werden.
Im Fall des spektrometrischen Prozesses kann es sich insbesondere um einen massenspektrometrischen Prozess handeln. Bei einem massenspektrometrischen Prozess wird das Gas zunächst ionisiert und die ionisierten Gasteilchen dann durch ein nicht dargestelltes Filterelement geführt. Das Filterelement befindet sich in einem elektrischen Feld, in dem die ionisierten Gasteilchen aufgrund der Lorentzkraft hinsichtlich ihrer Bewegungsrichtung beeinflusst werden. Die Beeinflussung der Bewegungsrichtung der ionisierten Gasteilchen führt zu einer Veränderung ihrer Flugbahn. Die Beeinflussung hängt von der Art der ionisierten Gasteilchen, insbesondere ihrer Masse ab. Auf Grundlage der Parameter der Flugbahn der ionisierten Gasteilchen kann auf die Art des Gases geschlossen werden. Zur Messung der ionisierten Gasteilchen werden eine nicht dargestellte Platine oder eine nicht dargestellte Elektrode verwendet.
Die Sensoren können vorzugsweise auf ein Zielgas eingestellt werden. Bei dem Zielgas handelt es sich um ein Gas das innerhalb der Batteriezelle BZ entstehen kann und das nachgewiesen werden soll.
Vorzugsweise ist der Sensor S aus einem gasbeständigen Material, insbesondere aus einen gasbeständigen Kunststoff oder Metall ausgeführt. Zur Auswertung der mit dem Sensor S erzeugten Signale kann eine nicht dargestellte Auswerteeinheit verwendet werden. Auf Grundlage der von der Auswerteeinheit erzeugten Informationen über das entstandene Gas, insbesondere seine Art und/oder über seinen physikalischen Zustand, können Verfahrensschritte zur Veringerung der Wahrscheinlichkeit der Schädigung der Batteriezelle BZ eingeleitet werden. Darüberhinaus kann eine Warnung erfolgen, so dass die Sicherheit von Personen, die sich im Umfeld einer Batteriezelle BZ befinden, bei der eine Gasentstehung eingetreten ist, erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0723662 B1 [0003]
DE 10200735 A1 [0004]
DE 102011016526 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Nachweis einer Gasentstehung in einer Batteriezelle (BZ), dadurch gekennzeichnet, dass der Umstand der Gasentstehung auf dem Wege eines elektrochemischen oder eines spektrometrischen oder eines spektroskopischen Prozesses innerhalb der Batteriezelle (BZ) nachgewiesen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem spektrometrischen Prozess um einen massenspektrometrischen Prozess handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrochemischen Prozess um einen amperometrischen Prozess oder um einen voltammetrischen Prozess oder um einen Prozess zur Messung eines Widerstands handelt.
Vorrichtung zur Entdeckung einer Gasentstehung in einer Batteriezelle (BZ), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Sensor (S) zum Nachweis einer Gasentstehung aufweist und der Sensor (S) geeignet ist, die Gasentstehung auf dem Wege eines elektrochemischen oder eines spektrometrischen oder eines spektroskopischen Prozesses nachzuweisen, insbesondere mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Sensor (S) einen Nachweis einer Gasentstehung und einer Auswerteeinheit zur Bewertung der mit dem Sensor (S) erzeugten Signale aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (S) und/oder die Auswerteeinheit zumindest teilweise aus einem gasbeständigen Material, insbesondere aus einem gasbeständigen Kunststoff oder einem gasbeständigen Metall ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (S) und/oder die Auswerteeinheit zumindest teilweise von einem porösen Gehäuse umschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse weitestgehend unempfindlich gegenüber mindestens einer Veränderung der Temperatur im Inneren der Batteriezelle (BZ) und/oder mindestens einer Veränderung des Druckes im Inneren der Batteriezelle (BZ) und/oder mindestens einer Veränderung der Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle (BZ) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Veränderung der Temperatur im Inneren der Batteriezelle (BZ) um beispielsweise 10°C bis 50°C und bei der Veränderung des Drucks im Inneren der Batteriezelle (BZ) um eine Änderung von 1 bar bis 7 bar, insbesondere 1 bar bis 5 bar und bei der Veränderung der Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle (BZ) um 10% der regelmäßigen Feuchtigkeit im Inneren der Batteriezelle handelt.
Batteriezelle (BZ), enthaltend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9.
Batteriemodul, enthaltend eine Batteriezelle (BZ) nach Anspruch 10.