DE102013210378B4 - Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem kapazitiven Sensor, Verfahren zum Überwachen des Zustandes einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle, Batteriesystem und Fahrzeug - Google Patents

Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem kapazitiven Sensor, Verfahren zum Überwachen des Zustandes einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle, Batteriesystem und Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) mit einer aus Graphit ausgebildeten Kathode und einem Überdruckventil (20), das dazu vorgesehen ist, bei Vorliegen eines vorbestimmten Batteriezellinnendrucks zu öffnen und im Inneren der Batteriezelle (10) gebildete Gase zusammen mit bei einem Gasaustritt mitgerissenen Graphitpartikeln (95) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) mindestens einen Kondensator (60) umfasst, der derartig ausgebildet und in der Batteriezelle (10) angeordnet ist, dass sich mitgerissene Graphitpartikel (95) zumindest teilweise in einem sich zwischen den zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindlichen Spalt (90) lagern und eine zu einer Kapazitätsveränderung des Kondensators (60) führende Dielektrizitätszahländerung in dem sich zwischen den Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindlichen Spalt (90) bewirken.

Description

  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer aus Graphit ausgebildeten Kathode und einem Überdrückventil, das dazu vorgesehen ist, bei Vorliegen eines vorbestimmten Batteriezellinnendrucks zu öffnen und im Inneren der Batteriezelle gebildete Gase zusammen mit bei einem Gasaustritt mitgerissenen Graphitpartikeln abzuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen des Zustandes einer solchen Lithium-Ionen-Batteriezelle. Auch betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit mehreren solchen Lithium-Ionen-Batteriezellen.
  • Stand der Technik
  • Durch einen Defekt kann es in Lithium-Ionen-Batteriezellen zur Gasbildung kommen. Dadurch kann ein Überdruck im Innern der Lithium-Ionen-Batteriezellen entstehen. Bei Vorliegen eines bestimmten Druckes im Inneren einer solchen Batteriezelle öffnet sich ein Überdruckventil um die Gase abzuführen und ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle zu vermeiden. Dabei tritt auch Graphitstaub aus, welcher von der aus Graphit ausgebildeten Kathode einer solchen Batteriezelle gelöst wird und sich auf der Oberfläche der Batteriezelle verteilt.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, kapazitive Sensoren für viele Zwecke, wie beispielsweise zur Bestimmung von Abständen, Drücken, Füllhöhen oder Feuchtigkeitsgehalten, einzusetzen. Kapazitive Sensoren arbeiten auf der Basis der Veränderung der Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines ganzen Kondensatorsystems. Die Beeinflussung der Kapazität kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, welche sich meist bereits durch den Verwendungszweck ergeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer aus Graphit ausgebildeten Kathode und einem Überdrückventil bereitgestellt. Das Überdruckventil ist dazu vorgesehen, bei Vorliegen eines vorbestimmten Batteriezellinnendrucks zu öffnen und im Inneren der Batteriezelle gebildete Gase zusammen mit bei einem Gasaustritt mitgerissenen Graphitpartikeln abzuführen. Dabei umfasst die Batteriezelle mindestens einen Kondensator, der derartig ausgebildet und in der Batteriezelle angeordnet ist, dass sich mitgerissene Graphitpartikeln zumindest teilweise in einem sich zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindlichen Spalt lagern und eine zu einer Kapazitätsveränderung des Kondensators führende Dielektrizitätszahländerung in dem sich zwischen den Elektroden des Kondensators befindlichen Spalt bewirken.
  • Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Überwachen des Zustandes einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer aus Graphit ausgebildeten Kathode und einem Überdrückventil bereitgestellt. Das Überdruckventil ist dazu vorgesehen, bei Vorliegen eines vorbestimmten Batteriezellinnendrucks zu öffnen und im Inneren der Batteriezelle gebildeten Gase zusammen mit bei einem Gasaustritt mitgerissenen Graphitpartikeln abzuführen. Bei dem Verfahren wird eine Kapazität mindestens eines in der Batteriezelle vorgesehenen Kondensators gemessen. Dabei ist der Kondensator derartig ausgebildet und in der Batteriezelle angeordnet, dass sich mitgerissene Graphitpartikeln zumindest teilweise in einem zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindlichen Spalt lagern und eine Dielektrizitätszahländerung in dem sich zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindlichen Spalt bewirken. Ferner wird bei Vorliegen einer Kapazitätsänderung des Kondensators, die von einer Dielektrizitätszahländerung in dem sich zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindlichen Spalt verursacht wird, ein defekter Zustand der Batteriezelle, in dem durch das geöffnete Überdruckventil ein Gasaustritt aus der Batteriezelle erfolgt, festgestellt.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird mit Hilfe eines kapazitiven Sensors der Defekt einer Batteriezelle festgestellt. Anschließend kann eine solche defekte Batteriezelle, die in einem Batteriesystem angeordnet ist, über das Batteriemanagementsystem des Batteriesystems entladen werden. Dies ist bei den aus dem derzeitigen Stand der Technik bekannten Batteriesystemen nicht möglich.
  • Dabei lagern sich an einem in einer erfindungsgemäßen Batteriezelle geeignet vorgesehenen Kondensator eines kapazitiven Sensors die bei einem Gasaustritt aus einer defekten Batteriezelle mitgerissenen Graphitpartikel ab. Dadurch ändert sich die Kapazität des Kondensators. Der Defekt der Batteriezelle kann somit festgestellt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Batteriezelle eine Messschaltung, die dazu ausgebildet ist, eine Kapazität des Kondensators zu messen und eine Kapazitätsänderung zu ermitteln. Die Messschaltung ist bevorzugt weiter dazu ausgebildet, Informationen über eine ermittelte Kapazitätsänderung des Kondensators einer in der Batteriezelle vorhandenen Kommunikationsstelle zum Kommunizieren mit einem Batteriemanagementsystem bereitzustellen.
  • Bei einer anderen sehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Batteriezelle eine Stromversorgungsschaltung, die mit den zwei Elektroden des Kondensators verbindbar oder verbunden ist und dazu ausgebildet ist, einen der zwei Elektroden des Kondensators positiv und die andere der zwei Elektroden des Kondensators negativ aufzuladen.
  • Vorzugsweise ist der sich zwischen den Elektroden des Kondensators befindliche Spalt ein offener Spalt und/oder ein Luftspalt.
  • Einfach ausgedruckt umfasst der in einer erfindungsgemäßen Batteriezelle geeignet vorgesehene Kondensator eines kapazitiven Sensors zwei Elektroden (Ladungsträger), zwischen denen sich ein Spalt, vorzugsweise ein offener Luftspalt, befindet. An beiden Elektroden ist jeweils ein elektrischer Anschluss, der beispielsweise als Anschlusskabel ausgebildet ist, vorhanden.
  • Der Kondensator des kapazitiven Sensors wird an einen Stromkreis einer Stromversorgungsschaltung derartig angeschlossen, dass sich eine Elektrode positiv auflädt und die andere Elektrode negativ auflädt. Über eine nachfolgende Messschaltung wird die Kapazität des Kondensators des kapazitiven Sensors gemessen, welche stark von der Dielektrizitätszahl der Umgebung beeinflusst wird. Die Schaltungen für die Stromversorgung (Stromversorgungsschaltung) und/oder für die Messauswertung (Messschaltung) können in die bestehende Hard- und Software der Batteriezelle integriert werden oder als zusätzliche Bauelemente hinzugefügt werden.
  • Dabei ist der Kondensator des kapazitiven Sensors derartig in der Batteriezelle vorgesehen, dass die Graphitpartikel, die bei einem Gasaustritt durch ein geborstenes Überdruckventil der Batteriezelle mitgerissen werden, sich auch in dem Luftspalt des von dem kapazitiven Sensor umfassten Kondensators lagern. Dadurch verändert sich die Dielektrizitätszahl in dem Luftspalt und somit die gemessene Kapazität des Kondensators. Diese Kapazitätsänderung wird über die entsprechend ausgebildete Messschaltung (Messsteuerung) ermittelt und kann, wenn die Batteriezelle in einem Batteriesystem angeordnet ist, dem Batteriemanagementsystem des Batteriesystems mitgeteilt werden. Vorzugsweise kennzeichnet das Batteriemanagementsystem die Batteriezelle als defekt und entlädt diese anschließend.
  • Bei einer sehr bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle sind die Elektroden des Kondensators ringförmig ausgebildet. Vorzugsweise erstrecken sich die Elektroden des Kondensators vollständig im Inneren des Batteriezellgehäuses. Bevorzugt ist der Kondensator der erfindungsgemäßen Batteriezelle an dem Batteriezelldeckel angeordnet. Dabei können die Elektroden des Kondensators rund beziehungsweise kreisförmig um das an dem Batteriezelldeckel, insbesondere an der Oberseite des Batteriezelldeckels, vorhandene Überdruckventil herum angeordnet sein. Weiterhin bevorzugt ist der Kondensator in einem an dem Überdruckventil vorhandenen Entgasungskanal der Batteriezelle angeordnet.
  • Somit umfasst der kapazitive Sensor einen Kondensator mit zwei ringförmigen Elektroden (Ladungsträgern), welche bevorzugt vollständig in das elektrisch nicht leitende Gehäuse der Batteriezelle integriert sind. Rund um das Überdruckventil an der Oberseite des Batteriezelldeckels herum befindet sich vorzugsweise der geeignet ausgebildete kapazitive Sensor. Ein solcher kapazitiver Sensor kann auch an einem anderen geeigneten Ort der Batteriezelle, wie beispielsweise im Entgasungskanal, angebracht werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezellen. Dabei weist das erfindungsgemäße Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem auf und ist dazu ausgebildet, jede der erfindungsgemäßen Batteriezellen bei Vorliegen einer Kapazitätsänderung ihres Kondensators mittels des Batteriemanagementsystems als defekt zu erkennen und zu kennzeichnen. Ferner ist das erfindungsgemäße Batteriesystem dazu ausgebildet, eine mittels des Batteriemanagementsystems als defekt gekennzeichnete Batteriezelle zu entladen und insbesondere zu überbrücken.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezellen.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine perspektivische Ansicht einer Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Batteriezelle ein Überdruckventil und einen kapazitiven Sensor umfasst,
    • 2 eine erste Schnittansicht des kapazitiven Sensors der in der 1 dargestellten Batteriezelle,
    • 3 eine zweite Schnittansicht des kapazitiven Sensors der in der 1 dargestellten Batteriezelle mit geschlossenem Überdruckventil, und
    • 4 eine zweite Schnittansicht des kapazitiven Sensors der in der 1 dargestellten Batteriezelle nach einem durch das offene Überdruckventil erfolgten Gasaustritt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 10 umfasst eine aus Graphit ausgebildete Kathode (nicht dargestellt) und ein an der Oberseite des Batteriezelldeckels 16 angebrachtes Überdruckventil 20, das dazu ausgebildet ist, bei Vorliegen eines vorbestimmten Batteriezellinnendrucks zu öffnen und im Inneren der Batteriezelle 10 gebildete Gase zusammen mit bei einem Gasaustritt mitgerissenen Graphitpartikeln abzuführen. An dem Batteriezelldeckel 16 sind auch die zwei Batteriezellterminals 11, 12 angebracht. Mit dem Bezugszeichen 15 ist das Batteriezellgehäuse 15 gekennzeichnet.
  • Ferner umfasst die Batteriezelle 10 einen kapazitiven Sensor mit einem Kondensator, der in das Überdruckventil 20 an der Oberseite des Batteriezelldeckels 16 integriert ist und sich rund um dieses erstreckt. Der entsprechend des Überdruckventils 20 ausgebildete kapazitive Sensor umschließt dabei eine Fläche 21. An dem kapazitiven Sensor sind zwei Anschlusskabel 40, 50 angebracht, die für die Aufladung des in dem kapazitiven Sensor vorhandenen Kondensators vorgesehen sind.
  • In der 2 ist eine erste Schnittansicht des in dem Überdruckventil 20 integrierten kapazitiven Sensors der in der 1 dargestellten Batteriezelle 10. Die Schnittebene der ersten Schnittansicht verläuft parallel zu der von dem kapazitiven Sensor umschlossenen Fläche 21. Der kapazitive Sensor umfasst einen Kondensator 60 mit zwei Elektroden 70, 80. Eine der zwei Elektrode 70, die auch als äußere Elektrode 70 bezeichnet wird, ist im Inneren der Batteriezelle 10 angrenzend an das Batteriezellgehäuse angebracht. Die andere der zwei Elektroden, die auch als innere Elektrode 80 bezeichnet wird, ist im Inneren der Batteriezelle 10 beabstandet von der äußeren Elektrode 70 angebracht. Zwischen den zwei Elektroden 70, 80 befindet sich ein offener Luftspalt 90. In der 2 sind auch die zwei Anschlusskabel 40, 50, die zum Aufladen des Kondensators 60 vorgesehen sind, eingezeichnet. Das Anschlusskabel 40 ist mit der äußeren Elektrode 70 elektrisch verbunden. Das Anschlusskabel 50 ist mit der inneren Elektrode 80 elektrisch verbunden.
  • In der 3 ist eine zweite Schnittansicht des kapazitiven Sensors der in der 1 dargestellten Batteriezelle 10 gezeigt. Die Schnittebene der zweiten Schnittansicht ist in der 2 mit AA gekennzeichnet und verläuft senkrecht zu der von dem kapazitiven Sensor umschlossene Fläche 21. In der 3 ist der kapazitive Sensor in einem Zustand der in der 1 dargestellten Batteriezelle 10 gezeigt, in dem das Überdruckventil 20 geschlossen ist. In der 3 zu erkennen ist der Kondensator 60 mit seiner äußeren Elektrode 70, die an das Batteriezellgehäuse 15 angrenzt, und seiner inneren Elektrode 80, die beabstandet von der äußeren Elektrode 70 angeordnet ist. In der 3 ist auch der sich zwischen den Elektroden 70, 80 befindliche offene Luftspalt 90 zu erkennen.
  • In der 4 ist ebenfalls die zweite Schnittansicht des kapazitiven Sensors der in der 1 dargestellten Batteriezelle 10 dargestellt, wobei der kapazitive Sensor in einem Zustand der in der 1 dargestellten Batteriezelle 10 gezeigt ist, in dem ein durch das offene Überdruckventil 20 erfolgter Gasaustritt schon stattgefunden hat. Hier befinden sich bei dem Gasaustritt mitgerissene Graphitpartikel 95 in dem offenen Luftspalt 90 zwischen den beiden Elektroden 70, 80 des Kondensators 60.
  • Der Kondensator 60 des kapazitiven Sensors wird über die Anschlusskabel 40, 50 an einen Stromkreis einer Stromversorgungsschaltung derartig angeschlossen, dass sich eine seiner Elektroden 70, 80 positiv und die andere seiner Elektroden 70, 80 negativ auflädt. Über eine nachfolgende Messschaltung wird die Kapazität des Kondensators 60 gemessen. Die Stromversorgungsschaltung und die Messschaltung können jeweils als Schaltungen für die Stromversorgung in die bestehende Hard- und Software der Batteriezelle 10 integriert werden oder als zusätzliche Bauelemente hinzugefügt werden.
  • Bei dem Gasaustritt durch das geborstene Überdruckventil 20 werden auch Graphitpartikel 95 mitgerissen. Diese lagern sich auch in dem Luftspalt 90 des Kondensators 60 des kapazitiven Sensors ab. Dadurch verändert sich die Dielektrizitätszahl in dem Luftspalt 90 des Kondensators 60 und somit die gemessene Kapazität des Kondensators 60. Bei Vorliegen einer solchen Kapazitätsänderung wird ein Defekt der Batteriezelle 10 festgestellt.
  • Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 4 Bezug genommen.

Claims (10)

  1. Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) mit einer aus Graphit ausgebildeten Kathode und einem Überdruckventil (20), das dazu vorgesehen ist, bei Vorliegen eines vorbestimmten Batteriezellinnendrucks zu öffnen und im Inneren der Batteriezelle (10) gebildete Gase zusammen mit bei einem Gasaustritt mitgerissenen Graphitpartikeln (95) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) mindestens einen Kondensator (60) umfasst, der derartig ausgebildet und in der Batteriezelle (10) angeordnet ist, dass sich mitgerissene Graphitpartikel (95) zumindest teilweise in einem sich zwischen den zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindlichen Spalt (90) lagern und eine zu einer Kapazitätsveränderung des Kondensators (60) führende Dielektrizitätszahländerung in dem sich zwischen den Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindlichen Spalt (90) bewirken.
  2. Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Batteriezelle (10) eine Messschaltung umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Kapazität des Kondensators (60) zu messen, eine Kapazitätsänderung zu ermitteln und insbesondere Informationen über eine ermittelte Kapazitätsänderung des Kondensators (60) über eine in der Batteriezelle (10) vorhandene Kommunikationsstelle zum Kommunizieren mit einem Batteriemanagementsystem bereitzustellen.
  3. Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Batteriezelle (10) eine Stromversorgungsschaltung umfasst, die mit den zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) verbindbar oder verbunden ist und dazu ausgebildet ist, eine der zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) positiv und die andere der zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) negativ aufzuladen.
  4. Batteriezelle (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der sich zwischen den Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindliche Spalt (90) ein offener Spalt (90) und/oder ein Luftspalt (90) ist.
  5. Batteriezelle (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) ringförmig ausgebildet sind und/oder sich die Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) vollständig im Inneren des Batteriezellgehäuses (15) erstrecken und/oder der Kondensator (60) an dem Batteriezelldeckel (16) angeordnet ist und die Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) vorzugsweise kreisförmig um das an dem Batteriezelldeckel (16), insbesondere an der Oberseite des Batteriezelldeckels (16), vorhandene Überdruckventil (20) angeordnet sind oder der Kondensator (60) in einem an dem Überdruckventil (20) vorhandenen Entgasungskanal der Batteriezelle (10) angeordnet ist.
  6. Verfahren zum Überwachen des Zustandes einer Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) mit einer aus Graphit ausgebildeten Kathode und einem Überdruckventil (20), das dazu vorgesehen ist, bei Vorliegen eines vorbestimmten Batteriezellinnendrucks zu öffnen und im Inneren der Batteriezelle (10) gebildete Gase zusammen mit bei einem Gasaustritt mitgerissenen Graphitpartikeln (95) abzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität mindestens eines Kondensators (60), der derartig ausgebildet und in der Batteriezelle (10) angeordnet ist, dass sich mitgerissene Graphitpartikel (95) zumindest teilweise in einem zwischen den zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindlichen Spalt (90) lagern und eine Dielektrizitätszahländerung in dem sich zwischen den zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindlichen Spalt (90) bewirken, gemessen wird und bei Vorliegen einer Kapazitätsänderung des Kondensators (60), die von einer Dielektrizitätszahländerung in dem sich zwischen den zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) befindlichen Spaltes (90) verursacht wird, ein defekter Zustand der Batteriezelle (10), in dem durch das geöffnete Überdruckventil (20) ein Gasaustritt aus der Batteriezelle (10) erfolgt, festgestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei mittels einer in der Batteriezelle (10) angeordneten Messschaltung die Kapazität des Kondensators (60) gemessen und eine Kapazitätsänderung ermittelt wird und die ermittelte Kapazitätsänderung des Kondensators (60) insbesondere über eine in der Batteriezelle (10) zum Kommunizieren mit einem Batteriemanagementsystem eingerichtete Kommunikationsstelle bereitgestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei mittels einer in der Batteriezelle (10) angeordneten und mit den Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) verbundenen Stromversorgungsschaltung eine der zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) positiv aufgeladen wird und die andere der zwei Elektroden (70, 80) des Kondensators (60) negativ aufgeladen wird.
  9. Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem aufweist und dazu ausgebildet ist, jede der Batteriezellen (10) bei Vorliegen einer Kapazitätsänderung ihres Kondensators (60) mittels des Batteriemanagementsystems als defekt zu erkennen und zu kennzeichnen und eine mittels des Batteriemanagementsystems als defekt gekennzeichnete Batteriezelle (10) zu entladen und insbesondere zu überbrücken.
  10. Fahrzeug mit einem Batteriesystem nach Anspruch 9.
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