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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem die Batteriezelle umgebenden Zellgehäuse, wobei wenigstens ein Teil des Zellgehäuses ausgebildet ist, sich bei einem Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses zu verformen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit wenigstens einer Batteriezelle.
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Stand der Technik
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Batteriezellen sind als Energiespeicher insbesondere für die Elektromobilität von großer Bedeutung. Dabei werden insbesondere nachladbare Lithium-Ionen-Zellen als Batteriezellen eingesetzt. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen, insbesondere zum Schutz vor Feuchtigkeit, sind die Batteriezellen häufig von einem Zellgehäuse umgeben. Das Zellgehäuse ist dabei üblicherweise im Wesentlichen gasdicht ausgebildet, sodass feuchte Luftmassen nicht in das Zellgehäuse eindringen können. In der Regel ist das Zellgehäuse aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium. Über aus dem Zellgehäuse herausragende Zellterminals, welche mit den Elektroden der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden sind, kann die Batteriezelle elektrisch leitfähig kontaktiert werden. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Batteriezellen über diese Zellterminals unter Nutzung von elektrisch leitfähigen Zellverbindern elektrisch miteinander zu einem oder mehreren Batteriemodulen verschaltet werden, wobei ein als Energiespeicher zur Bereitstellung elektrischer Energie ausgebildetes Batteriesystem üblicherweise wenigstens ein Batteriemodul umfasst.
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Problematisch bei Batteriezellen, insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen, ist, dass es bei einer Erwärmung der Batteriezelle über einen kritischen Temperaturwert hinaus zu einer sogenannten Entgasung der Batteriezelle kommen kann. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen können Störungen, wie ein Kurzschluss zwischen den Elektroden der Lithium-Ionen-Zelle, ein Überladen der Lithium-Ionen-Zelle bei einem Ladevorgang oder eine extrem hohe Umgebungstemperatur, dazu führen, dass sich der dem Ionentransport zwischen den Elektroden der Lithium-Ionen-Zelle dienende Elektrolyt über einen kritische Temperaturwert hinaus erwärmt. Infolge dieser Erwärmung können dabei ungewollte chemische Reaktionen einsetzen, die zu einem sogenannten thermischen Durchgehen (engl. „thermal runaway“) der Lithium-Ionen-Zelle führen können. Insbesondere kann sich der Elektrolyt einer Lithium-Ionen-Zelle aufgrund der Erwärmung zersetzen und in einen gasförmigen Zustand übergehen. Durch diese Gasbildung innerhalb des Zellgehäuses der betroffenen Zelle entsteht in kurzer Zeit ein hoher Druck innerhalb des Zellgehäuses. Um ein Platzen der Zelle beziehungsweise des Zellgehäuses infolge des starken Druckanstiegs zu verhindern, weisen insbesondere Lithium-Ionen-Zellen üblicherweise ein Sicherheitsventil auf. Dieses kann beispielsweise als eine in einer Ventilöffnung eingesetzte Berstmembran ausgebildet sein. Eine Lithium-Ionen-Zelle mit einem solchen Sicherheitsventil ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 103 28 862 B4 bekannt.
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Über ein solches Sicherheitsventil können bei Erreichen beziehungsweise Überschreiten des sogenannten Berstdrucks das innerhalb des Zellgehäuses gebildete Gas sowie gegebenenfalls weitere gebildete Zersetzungsprodukte als Fluid, insbesondere als Aerosol, aus dem Zellegehäuse entweichen, sodass ein Druckausgleich zwischen dem Inneren des Zellgehäuses und der Umgebung des Zellgehäuses erfolgen kann. Die betroffene Batteriezelle muss danach ausgetauscht werden. Zudem können durch das druckstoßartige Entweichen des von der Batteriezelle gebildeten Gases beziehungsweise Aerosols aus dem Zellgehäuse umliegende Bauteile und/oder Batteriezellen geschädigt werden. Zudem kann die Erwärmung einer Zelle, die durch den mit der Erwärmung einhergehenden Druckanstieg zum Öffnen des Sicherheitsventils führt, benachbarte Batteriezellen derart erwärmen, dass in diesen ebenfalls chemische Zersetzungsreaktionen einsetzen, die wiederum zu einem Druckanstieg in den betroffenen Zellen und schließlich zu deren Ausfall führen können.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckanstieg innerhalb einer Batteriezelle vor dem Erreichen des Berstdrucks zu detektieren. Ein frühzeitiges Detektieren eines Druckanstiegs eröffnet vorteilhafterweise die Möglichkeit, Schutzmaßnahmen zu ergreifen, insbesondere um die in der betroffenen Batteriezelle ablaufenden chemischen Reaktionen zu stoppen und somit insbesondere eine Entgasung der Batteriezelle zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Batteriezelle mit einem die Batteriezelle umgebenden Zellgehäuse, wobei wenigstens ein Teil des Zellgehäuses ausgebildet ist, sich bei einem Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses zu verformen, vorgeschlagen, wobei die Batteriezelle eine Detektionseinrichtung zur Erfassung einer Verformung des wenigstens einen Teils des Zellgehäuses umfasst. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Batteriezelle eine nachladbare Lithium-Ionen-Zelle ist. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Batteriezelle als prismatische Zelle ausgebildet ist. Das Zellgehäuse ist vorteilhafterweise aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Aluminium oder rostfreiem Stahl. Das Zellgehäuse ist vorteilhafterweise gasdicht ausgebildet, insbesondere dicht gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Gasbildung innerhalb der Batteriezelle und ein damit verbundener Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses zu einer Verformung wenigstens eines Teils des Zellgehäuses führt. Durch Erfassen einer Verformung wenigstens eines Teils des Zellgehäuses kann somit vorteilhafterweise mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Zellentgasung detektiert werden. Ferner können bei Detektion einer solchen Verformung und somit einer Detektion einer Zellentgasung vorteilhafterweise Maßnahmen eingeleitet werden, um die in der betroffenen Zelle ablaufenden chemischen Reaktionen zu stoppen, insbesondere indem die betroffene Batteriezelle elektrisch von dem Batteriesystem getrennt wird, vorzugsweise durch Ansteuerung entsprechend vorgesehener Schaltschütze. Durch ein solches elektrisches Trennen der Batteriezelle vom Batteriesystem wird vorteilhafterweise ein weiteres Überladen der betroffenen Batteriezelle bei einem Ladevorgang verhindert. Als weitere vorteilhafte Maßnahme ist vorgesehen, die Batteriezelle, bei der eine Verformung wenigstens eines Teils des Zellgehäuses detektiert wurde, gezielt zu entladen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektionseinrichtung wenigstens einen Dehnmessstreifen umfasst, welcher an den wenigstens einem verformbaren Teil des Zellgehäuses angeordnet ist. Insbesondere kann der wenigstens ein Dehnmessstreifen an dem Zellgehäuse angeklebt sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Dehnmessstreifen als Halbleiter-Dehnmessstreifen ausgebildet ist, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung hierbei vorgesehen ist, dass das Halbleitermaterial des Dehnmessstreifens direkt auf die entsprechende Stelle des Zellgehäuses mittels eines Sputterprozesses aufgebracht wird. Der Dehnmessstreifen kann insbesondere ein im Stand der Technik zur Erfassung einer Formveränderung einer Oberfläche bekannter Dehnmessstreifen sein. Insbesondere kann der Dehnmessstreifen eine mäanderförmige Metallfolie umfassen, welche auf die Oberfläche des wenigstens einen Teils des Zellgehäuses aufgebracht wird. Die Detektionseinrichtung kann insbesondere ein stromdurchflossener Dehnmessstreifen sein, wobei eine Verformung der Oberflächeeine Veränderung des ohmschen Widerstandes des Dehnmessstreifens bewirkt, sodass sich die über dem Dehnmessstreifen abfallende Spannung ändert. Durch Erfassung einer solchen Spannungsänderung ist dabei vorteilhafterweise eine Verformung und somit indirekt ein Druckanstieg in dem Zellgehäuse der Batteriezelle erfassbar. Für die Kompensation von Temperatureinflüssen und daraus resultierenden Längenänderungen sowie zur Kompensation weiterer Störgrößen ist vorteilhafterweise eine entsprechend ausgebildete Schaltung, insbesondere eine Vollbrückenschaltung, vorgesehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist vorgesehen, dass das Zellgehäuse elektrisch leitfähig ausgebildet ist und die Detektionseinrichtung wenigstens ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement umfasst, welches durch einen Luftspalt beabstandet an den dem wenigstens einen verformbaren Teil des Zellgehäuses angeordnet ist, wobei durch eine Verformung des wenigstens einen verformbaren Teils des Zellgehäuses der Luftspalt geschlossen und das Zellgehäuse mit dem Kontaktelement elektrisch leitfähig kontaktiert wird. Bei dieser Ausgestaltungsvariante ist die Batteriezelle, wie insbesondere bei prismatisch ausgebildeten Lithium-Ionen-Zellen üblich, derart ausgebildet ist, dass das Potential der Batteriezelle auch am Zellgehäuse anliegt. Verformt sich das Zellgehäuse durch einen Druckanstieg infolge einer Gasbildung in der Batteriezelle derart, dass das Zellgehäuse den Luftspalt überbrückt und das wenigstens eine Kontaktelement elektrisch kontaktiert, so überträgt sich das elektrische Potential des Zellgehäuses auf das Kontaktelement, wobei das an dem Kontaktelement anliegende Potential vorteilhafterweise von der Detektionseinrichtung beziehungsweise einer Auswerteeinrichtung erfasst und eine Verformung des Zellgehäuses somit detektiert wird. Die das an dem Kontaktelement anliegende Potential erfassende Einrichtung kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung über eine elektrische Leitung mit dem wenigstens einen Kontaktelement elektrisch leitfähig verbunden sein. Die Detektionseinrichtung kann insbesondere das wenigstens eine durch einen Luftspalt von dem wenigstens einen verformbaren Teil des Zellgehäuses beabstandete Kontaktelement sein, wobei zur Erfassung einer Verformung das an dem wenigstens einen Kontaktelement anliegende elektrische Potential erfasst wird und eine Verformung beziehungsweise eine Gasentwicklung innerhalb der Batteriezelle signalisiert wird, wenn an dem wenigstens einen Kontaktelement das gleiche elektrische Potential anliegt, wie an dem Zellgehäuse der Batteriezelle. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Messung des an dem Zellgehäuse anliegenden elektrischen Potentials als Referenzmessung vorgesehen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Kontaktelement als Kontaktstreifen ausgebildet ist. Vorzugsweise weist das Kontaktelement an dessen äußerer Berandung wenigstens ein Isolierelement auf, mit welchem das Kontaktelement an dem wenigstens einen verformbaren Teil des Zellgehäuses angeordnet ist, vorzugsweise durch Verkleben. Insbesondere ist vorgesehen, dass Klebepunkte als Isolierelement an der äußeren Berandung des Kontaktelementes gesetzt werden, mit welchem das Kontaktelement an dem wenigstens einen verformbaren Teil des Zellgehäuses elektrisch isoliert angeordnet ist. Durch die Klebepunkte beziehungsweise durch das wenigstens eine Isolierelement ist das Kontaktelement vorteilhafterweise von dem Zellgehäuse durch einen Luftspalt beabstandet. Der Luftspalt, durch welchen das Kontaktelement von dem wenigstens einen verformbaren Teil des Zellgehäuses beabstandet ist, ist vorteilhafterweise gerade so groß, dass der wenigstens eine verformbare Teil des Zellgehäuses bei einem definierten Druck innerhalb des Zellgehäuses durch entsprechende Verformung das Kontaktelement elektrisch kontaktiert. Insbesondere ist vorgesehen, dass der definierte Druck etwa 70 % des Berstdrucks entspricht, bei welchem ein Sicherheitsventil der Batteriezelle ein Entweichen von innerhalb der Batteriezelle gebildetem Gas durch Freigabe einer Ventilöffnung ermöglicht.
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Dadurch, dass bei einer elektrischen Kontaktierung des Zellgehäuses mit dem Kontaktelement das elektrische Potential der Zelle an dem Kontaktelement anliegt, wird das Anliegen des Zellpotentials an dem Kontaktelement erfindungsgemäß zur Detektierung einer Verformung des Zellgehäuses und somit zur Detektierung des Anstiegs des Zellinnendrucks genutzt. Hierzu wird mit einer entsprechenden Auswerte- beziehungsweise Messeinrichtung das an dem Kontaktelement anliegende elektrische Potential vorteilhafterweise abgegriffen beziehungsweise gemessen. Das Anliegen eines Potentials an dem Kontaktelement kennzeichnet die betroffene Batteriezelle bei dieser vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung dabei als defekt und ist vorteilhafterweise zur Auslösung entsprechender Maßnahmen zum Schutz des Batteriesystems nutzbar. Insbesondere ist vorgesehen, dass bei Erfassung eines Potentials an dem Kontaktelement, vorzugsweise unter Nutzung eines Batteriemanagementsystems, ein Fehler signalisiert wird und/oder die Kühlleistung des Kühlsystems, mit welchem die betroffene Batteriezelle gekühlt wird, erhöht wird, und/oder die betroffene Batteriezelle abgeschaltet, das heißt elektrisch von dem Batteriesystem getrennt wird, und/oder die betroffene Batteriezelle entladen wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle umfasst der wenigstens eine verformbare Teil des Zellgehäuses ein in eine Zellgehäuseöffnung integriertes Zusatzelement. Das heißt, eine Verformung des Zusatzelementes wird bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle als eine Verformung des Zellgehäuses erfasst. Eine Verformung des Zusatzelementes weist dabei vorteilhafterweise auf einen Druckanstieg im Inneren des Zellgehäuses hin. Das Zusatzelement ist dabei vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass dieses sich bereits zeitlich vor den Wandungen des Zellgehäuses verformt, sodass ein Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses noch früher erfasst werden kann. Das Zusatzelement ist dabei vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem elektrisch leitfähigen metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Aluminium. Vorteilhafterweise ist das Zusatzelement derart ausgebildet, dass dieses sich bei einem Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses konvex nach außen ausdehnt.
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Umfasst die Detektionseinrichtung der erfindungsgemäßen Batteriezelle einen Dehnmessstreifen, so ist der Dehnmessstreifen bei dieser Ausgestaltungsvariante vorteilhafterweise auf dem Zusatzelement angeordnet. Umfasst die Detektionseinrichtung der erfindungsgemäßen Batteriezelle dagegen, wie gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung vorgesehen, ein Kontaktelement, so ist das Kontaktelement vorteilhafterweise die Zellgehäuseöffnung überbrückend an dem Zellgehäuse angeordnet. Die Anordnung des Kontaktelementes an dem Zellgehäuse erfolgt dabei vorteilhafterweise derart, dass ein Luftspalt zwischen dem Kontaktelement und dem in die Zellgehäuseöffnung integrierten Zusatzelement bei Normalbetrieb der Batteriezelle ausgebildet ist. Steigt der Druck innerhalb des Zellgehäuses an, so dehnt sich das Zusatzelement vorteilhafterweise in Richtung des Kontaktelementes aus und kontaktiert bei einem definierten Innendruck innerhalb des Zellgehäuses das Kontaktelement, sodass das elektrische Potential des Zellgehäuses auch an dem Kontaktelement anliegt. Das Kontaktelement fungiert dabei vorteilhafterweise als Detektionseinrichtung zur Erfassung einer Verformung eines Zellgehäuses, wobei das an dem Kontaktelement anliegende elektrische Potential vorteilhafterweise als Hinweis auf einen erhöhten Innendruck der galvanischen Zelle erfasst wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle sieht vor, dass die Batteriezelle ein Sicherheitsventil zum Schutz der Batteriezelle vor schädigendem Überdruck umfasst, wobei das Zusatzelement ein eine Ventilöffnung des Sicherheitsventils verschließendes Berstelement, vorzugsweise eine Berstscheibe, ist. Das Berstelement ist dabei ein Teil des Zellgehäuses im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Gehäuseöffnung ist bei dieser Ausgestaltungsvariante die Ventilöffnung des Sicherheitsventils. Bei dieser Ausgestaltung wird vorteilhafterweise ausgenutzt, dass sich ein Berstelement vor dem Zerbersten bei Erreichen beziehungsweise Überschreiten des definierten Berstdrucks nach außen verformt, wobei diese Verformung vorteilhafterweise mittels der Detektionseinrichtung, insbesondere unter Nutzung eines Dehnmessstreifens oder eines Kontaktelementes, erfasst wird. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass an dem Berstelement ein Dehnmessstreifen angeordnet ist, wobei mittels des Dehnmessstreifens eine Verformung des Berstelementes als Verformung des Zellgehäuses detektiert wird und somit ein Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses erfasst werden kann, vorteilhafterweise bevor das Berstelement zerbirst und eine Zellentgasung erfolgt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ferner insbesondere vorgesehen, dass das Kontaktelement durch einen Luftspalt beabstandet über dem Berstelement angeordnet ist, sodass das Potential des Zellgehäuses bei einer Ausdehnung des Berstelementes und einer bei Ausdehnung des Berstelementes erfolgenden Kontaktierung mit dem Kontaktelement an dem Kontaktelement anliegt. Durch ein Erfassen des an dem Kontaktelement anliegenden Potentials wird dabei vorteilhafterweise eine Verformung des Berstelementes als Verformung des Zellgehäuses erfasst.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Batteriezelle ein Abdeckelement zum Schutz wenigstens eines Teils der Detektionseinrichtung, wobei das Abdeckelement den wenigstens einen Teil der Detektionseinrichtung zumindest teilweise umgebend an dem Zellgehäuse angeordnet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Abdeckelement einen Dehnmessstreifen oder ein Kontaktelement als Teil der Detektionseinrichtung zumindest teilweise umgibt. Vorzugsweise umgibt das Abdeckelement die nicht der Batteriezelle zugewandten Seiten des wenigstens einen Teils der Detektionseinrichtung. Somit ist vorteilhafterweise der wenigstens eine Teil der Detektionseinrichtung, insbesondere der Dehnmessstreifen und/oder das Kontaktelement, vor äußeren mechanischen Einflüssen verbessert geschützt, sodass die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Signalisierung einer Verformung wenigstens eines Teils des Zellgehäuses und somit die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Signalisierung eines Druckanstiegs innerhalb des Zellgehäuses vorteilhafterweise weiter reduziert ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Abdeckelement hierbei an dem Zellgehäuse angeklebt ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle umfasst die Batteriezelle eine Auswerteeinrichtung, welche ein von der Detektionseinrichtung erzeugtes Signal, insbesondere ein von dem wenigstens einen Dehnmessstreifen oder von dem wenigstens einen Kontaktelement erzeugtes Signal, auswertet. Umfasst die Detektionseinrichtung einen Dehnmessstreifen, so ist insbesondere vorgesehen, dass zur Auswertung der an dem Dehnmessstreifen anliegenden Spannung eine entsprechend ausgebildete Schaltung vorgesehen ist, besonders bevorzugt eine Wheatstonesche-Brückenschaltung. Vorteilhafterweise wertet die Auswerteeinrichtung eine Veränderung der an dem Dehnmessstreifen anliegenden Spannung aus, um eine Verformung des Zellgehäuses beziehungsweise des wenigstens einen Teils des Zellgehäuses zu erfassen.
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Zur Lösung der eingangs genannten Ausgabe wird ferner ein Batteriesystem mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgeschlagen. Neben der wenigstens einen erfindungsgemäßen Batteriezelle weist das Batteriesystem vorteilhafterweise eine Steuereinrichtung auf, wobei eine von der Detektionseinrichtung der wenigstens einen Batteriezelle erfasste Verformung der Steuereinrichtung signalisiert wird und die Steuereinrichtung ausgebildet ist, bei Signalisierung einer Verformung Schutzmaßnahmen zum Schutz des Batteriesystems durchzuführen.
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Die Schutzmaßnahmen zum Schutz des Batteriesystems umfassen dabei insbesondere ein Entladen der Batteriezelle, deren Detektionseinrichtung eine Verformung signalisiert hat, und/oder ein Trennen der elektrisch leitfähigen Verbindung der Batteriezelle von dem Batteriesystem und/oder das Generieren einer Hinweismeldung und/oder ein Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Batteriesystem und einem an dem Batteriesystem angeschlossenen elektrischen Verbraucher und/oder ein Erhöhen der Kühlleistung eines Kühlsystems, welches die betroffene Batteriezelle kühlt. Die vorgenannten Schutzmaßnahmen sind dabei nicht abschließend aufgezählt. Das Trennen der elektrischen Verbindung von der betroffenen Batteriezelle mit dem Batteriesystem und/oder das Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Batteriesystem und einem an dem Batteriesystem angeschlossenen elektrischen Verbraucher kann insbesondere durch ein Ansteuern von Schaltschützen erfolgen, über welche die elektrische Verbindung erfolgt.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Batteriezelle;
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2 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Batteriezelle;
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3a eine Schnittdarstellung A-A des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels bei einem normalen Zellgehäuseinnendruck;
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3b eine Schnittdarstellung A-A des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels bei einem erhöhten Zellgehäuseinnendruck;
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4 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Batteriezelle;
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5 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Batteriezelle;
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6a eine Schnittdarstellung A-A des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels bei einem normalen Zellgehäuseinnendruck; und
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6b eine Schnittdarstellung A-A des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels bei einem erhöhten Zellgehäuseinnendruck.
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Im Zusammenhang mit den in 1 bis 3b dargestellten Ausführungsbeispielen wird eine erfindungsgemäße Batteriezelle 1 näher erläutert, bei der eine Verformung eines Teils des Zellgehäuses 2 unter Nutzung eines Dehnmessstreifens 8 erfolgt.
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Die in 1 dargestellte Batteriezelle 1 ist als prismatische, nachladbare Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet. Die Batteriezelle 1 ist dabei von einem metallischen Zellgehäuse 2 umgeben, wobei das Zellgehäuse 2 einen Zellgehäusedeckel 4 umfasst. Durch den Zellgehäusedeckel 4 der Batteriezelle 1 ragen zwei Zellterminals 3, welche mit den Elektroden der Batteriezelle 1 elektrisch leitfähig verbunden sind, und der elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 1 dienen. Der Gehäusedeckel 4 weist eine Ventilöffnung 6 auf, welche mit einem Berstelement 7 verschlossen ist. Das Berstelement 7 ist dabei als Berstscheibe ausgebildet. Die die Ventilöffnung 6 verschließende Berstscheibe 7 dient dabei als Sicherheitsventil der Batteriezelle 1 zum Schutz der Batteriezelle 1 vor schädigendem Überdruck.
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Die Berstscheibe 7 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, und derart ausgebildet, dass diese zerbirst, wenn der Druck im Inneren des Zellgehäuses 2 einen vordefinierten Berstdruck überschreitet. Bevor die Berstscheibe 7 durch Überschreiten eines vordefinierten Berstdrucks zerbirst, verformt sich die Berstscheibe 7. Die Berstscheibe 7 ist daher in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derjenige Teil des Zellgehäuses 2, welcher sich bei einem Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses 2 verformt. Zur Erfassung einer Verformung der Berstscheibe 7 weist die Batteriezelle 1 eine Detektionseinrichtung 5 auf.
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Die Detektionseinrichtung 5 umfasst dabei insbesondere einen Dehnmessstreifen 8, welcher direkt auf der Berstscheibe 7 angeordnet ist, vorteilhafterweise indem der Dehnmessstreifen auf die Berstscheibe 7 aufgeklebt ist. Über elektrische Leitungen 9 und 10 wird dabei eine elektrische Spannung an den Dehnmessstreifen 8 angelegt. Eine in 1 nicht explizit dargestellte Schaltung der Detektionseinrichtung 5, insbesondere eine Wheatstonesche Messbrücke, erfasst dabei durch Messung der Spannung eine Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnmessstreifens 8. Hierbei wird ausgenutzt, dass eine Verformung des Dehnmessstreifens 8 infolge einer Verformung der Berstscheibe 7 eine Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnmessstreifens 8 bewirkt. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Dehnmessstreifen 8 über die Leitungen 9 und 10 auch direkt mit dem Batteriemanagementsystem eines Batteriesystems verbunden sein kann, wobei eine Spannungsversorgung und eine Erfassung der Änderung des elektrischen Widerstandes vorteilhafterweise unter Nutzung des Batteriemanagementsystems erfolgen kann.
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2 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer in eine Ventilöffnung 6 eingesetzten Berstscheibe 7. Die Berstscheibe 7 ist dabei in einen Rahmen 12 eingeschweißt. Die Berstscheibe 7 weist zur verbesserten und definierten Verformung sowie für ein verbessertes Berstverhalten eine Sollbruchstelle 11 auf. Auf die Berstscheibe 7 ist ein Dehnmessstreifen 8 aufgeklebt, an welchen über Leitungen 9 und 10 eine elektrische Spannung angelegt ist. Über eine an die Leitungen 9 und 10 angeschlossene Auswerteeinrichtung (in 2 nicht explizit dargestellt), insbesondere eine Messschaltung, wird dabei eine Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnmessstreifens 8 erfasst und somit ein Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses erkannt.
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3a und 3b zeigen jeweils eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels. Dabei ist dargestellt, wie die eine Sollbruchstelle 11 aufweisende Berstscheibe 7 in eine Ventilöffnung 6, welche von einem Rahmen 12 umgeben ist, eingesetzt ist. Linksseitig der in 3a und 3b dargestellten Berstscheibe 7 ist dabei das Zellinnere einer Batteriezelle 1 und rechtsseitig die äußere Umgebung. Das heißt der Dehnmessstreifen 8 ist nach außen weisend auf die Berstscheibe 7 aufgebracht. 3a zeigt dabei die Berstscheibe 7 bei einem normalen Zellgehäuseinnendruck. Erhöht sich der Zellgehäuseinnendruck, insbesondere infolge einer Gasbildung innerhalb des Zellgehäuses, wie in 3b schematisch durch die Pfeile 13 dargestellt, so verformt sich die Berstscheibe 7 als Teil des Zellgehäuses. 3b zeigt eine unter Einwirkung eines erhöhten Zellgehäuseinnendrucks 13 konvex verformte Berstscheibe 7’. Die Verformung der Berstscheibe 7 bewirkt dabei, dass sich der elektrische Widerstand des Dehnmessstreifens 8 ändert. So ist der elektrische Widerstand des Dehnmessstreifens 8 bei nicht verformter Berstscheibe 7 (wie in 3b dargestellt) ein anderer, als der elektrische Widerstand des Dehnmessstreifens 8 bei verformter Berstscheibe 7’ (wie in 3a dargestellt). Durch Messung der an dem Dehnmessstreifen 8 anliegenden Spannung kann somit vorteilhafterweise frühzeitig, das heißt vor Erreichen des Berstdrucks, bei dem die Berstscheibe 7 zerbirst, eine Gasbildung innerhalb der Batteriezelle erkannt werden. Durch das Initiieren beziehungsweise das Ausführen von Schutzmaßnahmen, vorzugsweise durch eine Steuereinrichtung eines Batteriesystems, ist dabei vorteilhafterweise eine Zellentgasung und eine Schädigung von umliegenden Komponenten vermeidbar.
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In einer nicht dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungsvariante kann zusätzlich oder alternativ zu der die Ventilöffnung 6 verschließenden Berstscheibe 7 eine Gehäuseöffnung vorgesehen sein, wobei in diese Gehäuseöffnung ein Zusatzelement eingesetzt ist, welches als verformbarer Teil des Zellgehäuses 2 ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist die Detektionseinrichtung 5 einer Batteriezelle 1 also nicht an dem Sicherheitsventil der Batteriezelle 1 angeordnet. Eine Verformung des Sicherheitsventils wird bei dieser nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante also nicht erfasst, sondern eine Verformung des Zusatzelementes.
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Wird ein Dehnmessstreifen als Detektionseinrichtung zur Erfassung einer Verformung wenigstens eines Teils des Zellgehäuses genutzt, so kann dieser gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausgestaltungsvariante insbesondere auch direkt an dem Zellgehäuse 2 angeordnet sein.
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Im Zusammenhang mit den in 4 bis 6b dargestellten Ausführungsbeispielen wird eine Ausgestaltungsvariante für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 1 näher erläutert. Bei dieser Ausgestaltungsvariante wird eine Verformung wenigstens eines Teils eines Zellgehäuses 2 der Batteriezelle 1 unter Nutzung eines elektrisch leitfähigen Kontaktelementes 14 erfasst, wobei das Kontaktelement 14 durch einen Luftspalt 17 beabstandet an dem wenigstens einen verformbaren Teil des Zellgehäuses 2 angeordnet ist. Der verformbare Teil des Zellgehäuses 2 ist dabei eine eine Ventilöffnung 6 des Zellgehäuses 2 verschließende Berstscheibe 7. Durch eine Verformung der Berstscheibe 7 wird der Luftspalt 17 geschlossen und das Zellgehäuse 2 mit dem Kontaktelement 14 elektrisch leitfähig kontaktiert.
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Wie aus 4 ersichtlich, ist die Batteriezelle 1 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine prismatische Batteriezelle. Die Batteriezelle 1 ist dabei von einem elektrisch leitfähigen Zellgehäuse 2 umgeben, wobei das Potential der Batteriezelle 1 an dem Zellgehäuse 2 anliegt. Das Zellgehäuse 2 umfasst einen Zellgehäusedeckel 4, durch welchen Zellterminals 3 zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 1 ragen. Der Zellgehäusedeckel 4 verschließt das Zellgehäuse 2 dicht und weist eine Ventilöffnung 6 als Gehäuseöffnung auf, wobei in die Ventilöffnung 6 eine Berstscheibe 7 eingesetzt ist, welche im Normalbetrieb der Batteriezelle 1 die Ventilöffnung 6 dicht verschließt. Die Berstscheibe 7 ist wie das Zellgehäuse 2 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff und elektrisch leitfähig mit dem Zellgehäuse 2 beziehungsweise dem Zellgehäusedeckel 4 verbunden.
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Zur Erfassung einer Verformung der Berstscheibe 7 und somit zur Erfassung eines Druckanstiegs innerhalb des Zellgehäuses 2 umfasst die Batteriezelle 1 eine Detektionseinrichtung 5. Die Detektionseinrichtung 5 umfasst dabei ein als Kontaktstreifen ausgebildetes elektrisch leitfähiges Kontaktelement 14, welches durch einen Luftspalt 17 von der Berstscheibe 7 beabstandet die Ventilöffnung 6 überbrückt. Eine elektrisch leitfähige Verbindung mit dem Zellgehäuse 2 beziehungsweise der Berstscheibe 7 besteht dabei nicht. Die Enden des Kontaktstreifens 14 sind vorzugsweise mit dem Zellgehäusedeckel 4 verklebt, wobei die Klebung den Kontaktstreifen 14 gegen den Zellgehäusedeckel 4 elektrisch isoliert. Über eine mit dem Kontaktstreifen 14 verbundene elektrische Leitung 15 ist das an dem Kontaktstreifen 14 anliegende elektrische Potential messbar, vorzugsweise unter Nutzung einer Auswerteeinrichtung (in 4 bis 6b nicht explizit dargestellt). Das Potential des Zellgehäuses 2 liegt dabei an dem Kontaktstreifen 14 an, wenn sich die Berstscheibe 7 aufgrund eines Druckanstiegs innerhalb des Zellgehäuses 2 nach außen verformt und dabei den Kontaktstreifen 14 elektrisch leitfähig kontaktiert.
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In 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt eines Zellgehäusedeckels 4 mit einer Öffnung 6 dargestellt, wobei die Öffnung 6 durch eine Berstscheibe 7 dicht verschlossen ist. Die Berstscheibe 7 ist hierzu in einen die Öffnung 6 umgebenden Rahmen 12 eingeschweißt. Die Berstscheibe 7 weist zur Verbesserung des Dehn- und Berstverhaltens eine Sollbruchstelle 11 auf.
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Wie in der Schnittdarstellung A-A in 6a dargestellt, ist die Öffnung 6 überbrückend und durch einen Luftspalt 17 von der Berstscheibe 7 beabstandet ein Kontaktstreifen 14 über Isolationselemente 16 an dem Rahmen 12 angeordnet. Bei Normalbetrieb der Batteriezelle 1, das heißt bei einem unkritischen Zellinnendruck, sind der Kontaktstreifen 14 und das Zellgehäuse 2 beziehungsweise die Berstscheibe 7 daher nicht kontaktiert, sodass keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Zellgehäuse 2 und dem Kontaktstreifen 14 besteht.
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Steigt der Druck im Inneren des Zellgehäuses 2, insbesondere aufgrund einer Gasbildung, so verformt sich die Berstscheibe 7 und der Luftspalt 17 zwischen der Berstscheibe 7 und dem Kontaktstreifen 14 verkleinert sich. Etwa bei dem 0,7-fachen Berstdruck kontaktiert die Berstscheibe 7 den Kontaktstreifen 14, wie in der Schnittdarstellung A-A in 6b dargestellt. Der erhöhte Zellinnendruck ist dabei in 6b schematisch durch die Pfeile 13 dargestellt.
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Durch die verformte Berstscheibe 7’, die den Kontaktstreifen 14 elektrisch leitfähig kontaktiert, liegt das an dem Zellgehäuse 2 anliegende elektrische Potential auch an dem Kontaktstreifen 14 an und kann vorteilhafterweise durch eine Auswerteeinrichtung, insbesondere eine entsprechend ausgebildete Messschaltung, über die elektrische Leitung 15 erfasst werden. Liegt ein Potential an der elektrischen Leitung 15 an, wird dies vorteilhafterweise registriert. Die das an der Leitung 15 anliegende Potential erfassende Auswerteeinrichtung oder das Batteriemanagementsystem eines Batteriesystems, zu dem die betroffene Batteriezelle gehört, kann dann vorteilhafterweise Maßnahmen zum Schutz der betroffenen Batteriezelle und/oder des Batteriesystems initiieren. Insbesondere kann das Anliegen des Zellgehäusepotentials an dem Kontaktstreifen 14 beziehungsweise der Leitung 15 das Erzeugen einer Hinweismeldung, die Erhöhung der Kühlleistung des Kühlsystems, welches die Batteriezelle beziehungsweise das Batteriesystem kühlt, das Abschalten und/oder das Entladen der Batteriezelle auslösen.
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Vorzugsweise ist die Berstscheibe 7 so ausgelegt, dass sie bei Absinken des Drucks innerhalb des Zellgehäuses 2 zumindest weitestgehend wieder die ursprünglich Form und somit die in 6a dargestellte Form und Position einnimmt. Die Detektion einer einmal aufgetretenen Verformung wird dann vorteilhafterweise in einem Fehlerspeicher, vorzugsweise einem Fehlerspeicher des Batteriemanagementsystems, gespeichert.
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Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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