DE102013217039A1

DE102013217039A1 - Überwachung und Inspektion einer Batteriezelle mithilfe elektromagnetischer Wellen über transparente Bauteilkomponenten

Info

Publication number: DE102013217039A1
Application number: DE102013217039.4A
Authority: DE
Inventors: Georg Sebastian; Michael Gansemer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: DE102013217039B4

Abstract

Batteriezelle (10), insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle oder eine Lithium-Luft-Batteriezelle, welche mindestens eine negative und eine positive Elektrode, einem Elektrolyten (11), sowie ein Batteriezellgehäuse, welches eine Bodenplatte, mindestens eine seitliche Begrenzungsfläche sowie eine obere Begrenzungsplatte umfasst, enthält, wobei eine Batteriezellgehäusekomponente (16), in Form eines Dichtelements am Batteriezellgehäuse, der Bodenplatte oder der mindestens einen seitlichen Begrenzungsfläche des Batteriezellgehäuses oder in Form eines Durchflusselements des Batteriezellgehäuses für Betriebsmedien der Batteriezelle, zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung (13) durchlässig ausgeführt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle bzw. eine Batterie, sowie auf ein Verfahren zur Überwachung des Innenraums einer Batteriezelle bzw. einer Batterie nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
In der DE 000069636651 T2 wird eine Zustandsanzeige zur Bestimmung des Ladungszustandes einer elektrochemischen Energiequelle, wie beispielsweise einer Batterie, beschrieben. Hierzu ist eine transparente Sperrfolie über einem transparenten Fenster im Gehäuse der Batterie angebracht.
Die DE 000069132881 T2 beschreibt eine Batterie, die eine eingebaute Batteriestärkeindikatorvorrichtung hat, um Stärke, Spannung oder Kapazität der Batterie zu bestimmen. Über ein Redoxelement wird durch Farbänderung anzeigt, wenn die Spannung über- oder unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt. Der Farbumschlag ist außerhalb der nach außen abgedichteten Batteriezelle über eine transparente Wand der Indikatorkammer sichtbar.
In der DE 000069312732 T2 wird ein Verfahren zum Laden und Entladen elektrischer Energie beschrieben. Über einen oberen transparenten Teil der Batteriezelle kann eine Blasenbildung im Inneren der Zelle beobachtet werden.
Die WO-2011162417 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung von Schweißnaht-Makeln der Aluminiumlegierung für Lithium-Ionen-Batterien in Elektro- und Kraftfahrzeugen. Licht bzw. Infrarotlicht wird auf ein Bauteil der Batterie geworfen und reflektiert. Dieses Lichtsignal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches durch eine Prozesseinheit überwacht wird. So kann Auskunft über den Schweißbereich des Werkstücks erlangt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle bzw. eine Batterie, sowie ein Verfahren zur Überwachung des Innenraums einer Batteriezelle bzw. einer Batterie mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Dies beruht insbesondere darauf, dass mindestens eine Gehäusekomponente der Batteriezelle, in Form eines Dichtelements am Batteriezellgehäuse, in Form einer Bodenplatte oder einer mindestens einen seitlichen Begrenzungsfläche des Batteriezellgehäuses oder in Form eines Durchflusselements des Batteriezellgehäuses für Betriebsmedien der Batteriezelle, zumindest teilweise durchlässig für elektromagnetische Strahlung ist und das Innere der Batteriezelle somit durch optische Empfängereinheiten bzw. lichtsensitive Empfängereinheiten überwacht werden kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zusätzliche Komponenten, welche das Wicklungselement umgeben, zumindest teilweise durchlässig für elektromagnetische Strahlung. Hierdurch können zusätzlich Batteriezellkomponenten im Wicklungselement optisch überwacht werden.
Hierzu wird elektromagnetische Strahlung von einer Lichtquelle emittiert. Diese passiert die zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung durchlässige Batteriezellgehäuse-komponente. Durch Reflexion an mindestens einem Bauteil im Inneren der Batteriezelle verändert sich je nach Innendruck, Innentemperatur, Material der Batteriezellgehäuse-komponente und weiterer Parameter das Übertragungsverhalten der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere deren Lichtintensität und/oder spektrale Verteilung. Ein Vergleich der Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung vor dem Eintritt in die Batteriezelle und nach dem Wiederaustritt aus dieser gibt bei bekannter Korrelation von Bedingungen innerhalb der Batteriezelle mit den damit verbundenen Veränderungen der reflektierten elektromagnetischen Strahlung Auskunft über den Zustand der Batteriezelle.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist insbesondere die Überwachung sicherheitsrelevanter Größen vorteilhaft, da unerwünschte Veränderungen, wie beispielsweise eine Überhitzung der Batteriezelle, frühzeitig erkannt werden. Durch die frühzeitige Erkennung von ungewollten Reaktionen, wie beispielsweise einer Überhitzung der Batteriezelle, wird somit frühzeitig vor einem eventuellen Brand bzw. einer Explosion gewarnt. Im Vergleich zu herkömmlichen Warnsystemen wird in Gefahrensituationen somit frühzeitiger eingegriffen, was gegebenenfalls die rechtzeitige Wiederherstellung der intakten Ausgangssituation betroffener Batteriezellen bedeutet.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass Zustände, die mit herkömmlichen elektrochemischen Messsystemen schwer messbar sind, auf einfache Weise detektiert und gemessen werden können, wie beispielsweise der Aggregatszustand eines Elektrolyten der Batteriezelle. Dieser kann abhängig von den physikalischen Randbedingungen gasförmig oder flüssig in der Batteriezelle vorliegen.
Darüber hinaus kann eine Vielzahl an weiteren Parametern erfasst werden, insbesondere die Innentemperatur und der Innendruck einer Batteriezelle, die dort gespeicherte Ladung, die anliegende Zellspannung und der aktuelle Innenwiderstand der Batteriezelle.
Außer der Messung physikalischer Parameter in der Batteriezelle, die direkt während des Betriebs bestimmt werden können, ist es auch möglich, Veränderungen, die aufgrund der zunehmenden Lebendauer einer Batteriezelle auftreten, über einen längeren Zeitraum hinweg zu messen. Dies betrifft beispielsweise Veränderungen von Bauteilmaterialien, insbesondere jenen eines Wicklungselements, von Stromabnehmern, von Dichtelementen oder eines Elektrolyten der Batteriezelle. Mithilfe der Erfindung kann der Batteriezellzustand somit jederzeit überwacht werden, was zuverlässigen Schutz beispielsweise vor ungewollten chemischen Reaktionen in der Batteriezelle bietet.
Es ist von Vorteil, wenn die mindestens eine seitliche Begrenzungsfläche oder die Bodenplatte des Batteriezellgehäuses für elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ausgeführt ist, da diese Flächen so groß sind, dass verschiedene Einstrahlwinkel möglich sind. Dadurch kann von einer Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung durch die zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung durchlässige Batteriezellgehäusekomponente in verschiedenen Winkeln eingestrahlt werden, ohne dass eine weitere Strahlungsquelle benötigt wird. Zudem ist ausreichend Platz geboten, um parallel an verschiedenen Orten der seitlichen Begrenzungsfläche oder der Bodenplatte elektromagnetische Strahlung einstrahlen zu können, wodurch der zu messende physikalische Parameter mehrfach bestimmt werden kann oder parallel verschiedene Parameter bestimmt werden können. Desweiteren bietet die mindestens eine seitliche Begrenzungsfläche oder die Bodenplatte des Batteriezellgehäuses genügend Platz um optische Elemente, insbesondere eine Linse, im Bereich der seitlichen Begrenzungsfläche bzw. der Bodenplatte anzubringen, wodurch eine großflächige Überwachung der Batteriezelle möglich ist. Die mindestens eine seitliche Begrenzungsfläche oder die Bodenplatte des Batteriezellgehäuses kann auch ein Muster aus für elektromagnetische Strahlung transparenten Bereichen aufweisen, durch welche elektromagnetische Strahlung in die Batteriezelle eindringen kann.
Sind die Materialien, aus denen die für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Batteriezellgehäusekomponenten gefertigt sind, zudem für Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts transparent, so ist vorteilhaft, dass manche Veränderungen in der Batteriezelle auch mit dem bloßen Auge erkannt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle bzw. der vorliegenden Batterie und des Verfahrens zur Überwachung derselben ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist es von Vorteil, wenn das Dichtelement am Batteriezellgehäuse, welches zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung durchlässig ausgeführt ist, eine Dichtung eines Stromabnehmers der Batteriezelle gegenüber dem Batteriezellgehäuse ist, da auf diese Weise eine Strahlungsquelle und/oder eine Empfängereinheit direkt am Stromabnehmer befestigt werden kann, welche die das Dichtelement passierende elektromagnetische Strahlung emittiert bzw. detektiert. Somit wird keine separate Halterung für diese benötigt. Zudem kann die Strahlungsquelle bzw. die Empfängereinheit zusätzlich mit Strom über den Stromabnehmer versorgt werden.
Ein weiterer Vorteil eines zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung durchlässigen Dichtelements am Batteriezellgehäuse, insbesondere eines Dichtelements eines Stromabnehmers, liegt in dessen Ausführung aus transparentem Kunststoff, welcher allgemein gebräuchlich und nicht teuer ist. Gleiches gilt auch für ein Durchflusselement des Batteriezellgehäuses für Betriebsmedien der Batteriezelle in Form eines Überdruckventils und/oder eines Verschlusses der Elektrolyt-Einfüllöffnung wenn diese für elektromagnetische Strahlung transparent und somit beispielsweise aus einem transparenten Kunststoff oder Glas ausgeführt ist.
Es ist von Vorteil, wenn die Bauteile im Inneren des Batteriezellgehäuses der Batteriezelle für elektromagnetische Strahlung reflektierend ausgeführt sind, da in die Batteriezelle eintretende elektromagnetische Strahlung umgelenkt wird und so auch zu Bauteilen und anderen Elementen in der Batteriezelle gelangt, die durch direkte Einstrahlung nicht erreichbar sind. Weiterhin nimmt bei reflektierend ausgeführten Bauteilen die Intensität des die Batteriezelle wieder verlassenden optischen Signals zu und die Eigenschaften des Bauteils können mit höherer Signalgenauigkeit ermittelt werden. Hiermit sind insbesondere Eigenschaften wie die Zusammensetzung oder die Erhitzung des Materials des zu untersuchenden Bauteils gemeint, die durch Änderungen im Übertragungsverhalten der elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise der Änderung der Lichtintensität oder der spektralen Verteilung detektiert werden können.
Vorteilhaft ist es, elektromagnetische Strahlung zur Überwachung des Innenraums der Batteriezelle einzusetzen, da diese im Vergleich zu anderen Messmethoden zu einem raschen Messergebnis führt. Bei ausreichender Intensität des Sonnenlichts für die aktuelle Messsituation kann dieses als Strahlungsquelle genutzt werden. Eine Ausführungsform, die sich zu jedem Zeitpunkt realisieren lässt, besteht in der Zuhilfenahme einer künstlichen Strahlungsquelle.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn mehrere Werte parallel erfasst und angezeigt werden, da eine parallele Messung zum einen eine Zeitersparnis bedeutet, und zum anderen entsprechende Messergebnisse genauer sind, da die parallel ermittelten Messwerte analysiert, weiterverarbeitet und beispielhaft gemittelt werden können. Hierzu wird elektromagnetische Strahlung parallel an unterschiedlichen Orten eines oder verschiedener für elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ausgeführter Batteriezellgehäusekomponenten eingestrahlt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Verwendung eines im Inneren des Batteriezellgehäuses angeordneten Sensors, welcher physikalische Kenngrößen detektiert und auf Basis dieser Kenngrößen Sensorsignale in Form elektromagnetischer Strahlung durch eine zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung durchlässige Batteriezellgehäusekomponente emittiert. Auf diese Weise lassen sich weitere Kenngrößen erfassen, die nicht auf der Basis elektromagnetischer Strahlung ermittelt werden können, wie beispielsweise der in der Batteriezelle fließende Strom, die Ladung der Batteriezelle oder die Spannung der Batteriezelle.
Vorteilhaft ist es auch, optische Bauteile, vorzugsweise optische Linsen, so über mehrere Batteriezellen hinweg zu implementieren, dass auf diese Weise viele Batteriezellen parallel überwacht werden können. Hierzu tritt elektromagnetische Strahlung über eine für elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponente in die erste Batteriezelle ein, fällt auf eine an der Innenwand des Batteriezellgehäuses implementierte erste Linse, passiert die erste Batteriezelle und fällt auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Batteriezelle auf eine ebenfalls an der Innenwand des Batteriezellgehäuses implementierte zweite Linse und verlässt die erste Batteriezelle wieder über eine weitere für elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Gehäusekomponente der ersten Batteriezelle. Die elektromagnetische Strahlung kann beliebig viele Batteriezellen auf die beschriebene Weise durchlaufen und wird anschließend von einer Empfängereinheit detektiert, welche die empfangenen Daten an eine Überwachungseinheit übermittelt. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die für elektromagnetische Strahlung durchlässige Batteriezellgehäusekomponente selbst als Linse ausgeführt ist, da so die Anzahl der Batteriezellbauteile nicht erhöht ist und somit ein kompliziertes Verbauen sowie zusätzliche Kosten eingespart werden. Zudem ist die elektromagnetische Strahlung in diesem Fall unverfälschter, weil diese lediglich ein Batteriezellbauteil passiert um in die Batteriezelle hinein oder aus ihr heraus zu gelangen.
Beim Ladevorgang einer Batteriezelle entsteht Volumenarbeit, wodurch sich das Batteriezellgehäuse der betreffenden Batteriezelle leicht verformt. Dadurch verschiebt sich der Brennpunkt der entsprechenden Linse. Diese Verschiebung wird mittels der Empfängereinheit detektiert und von der Überwachungseinheit ausgewertet. Die Empfängereinheit ist vorzugsweise ein Flächendetektor. Die Korrelation zwischen dem Ladungszustand der Batteriezelle und der Stelle des Detektors, an der die elektromagnetische Strahlung in diesem Fall auf diesen auftrifft, ist in Form eines Kennfelds in der Überwachungseinheit hinterlegt.
Auf diese Weise wird Auskunft über den Ladungszustand einer Batteriezelle erlangt, was ein Überladen bzw. zu starkes Entladen der Batteriezelle verhindert. Mit diesem Wissen kann die Lebensdauer der Batteriezelle durch entsprechende Maßnahmen erheblich verlängert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1: die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der elektromagnetische Strahlung eine zumindest teilweise durchlässige Gehäusekomponente der Batteriezelle passiert,
2: die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der elektromagnetische Strahlung mehrere zumindest teilweise für diese durchlässige Gehäusekomponenten der Batteriezelle passiert,
3: die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Sensor innerhalb der Batteriezelle Datensignale in Form elektromagnetischer Strahlung aus der Batteriezelle heraus überträgt,
4: die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, bei der das Innere der Batteriezelle mithilfe einer sogenannten Fischaugen-Linse überwacht wird,
5 die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Batteriezelle durch Beugung an einem Spalt überwacht wird,
6: die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß 3 mit integrierten Elementen zur Strom- und Spannungsmessung,
7: die schematische Darstellung einer Batterie mit zwei Batteriezellen gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, welche implementierte Linsen zur parallelen Überwachung der Batteriezellen umfasst,
8: die schematische Darstellung einer Batterie gemäß einer siebten Ausführungsform in einer ersten Variante zur parallelen Überwachung mehrerer Batteriezellen mithilfe von Spiegeln, wobei im Fall eines Defektes einer Batteriezelle nach einer ersten Variante festgestellt wird, welche der Batteriezellen diesen Defekt aufweist,
9: die schematische Darstellung einer Batterie gemäß der siebten Ausführungsform in einer zweiten Variante zur parallelen Überwachung mehrerer Batteriezellen mithilfe von Spiegeln, wobei im Fall eines Defektes einer Batteriezelle nach einer zweiten Variante festgestellt wird, welche der Batteriezellen diesen Defekt aufweist, und
10: die schematische Darstellung einer Batterie gemäß der siebten Ausführungsform in einer dritten Variante zur parallelen Überwachung mehrerer Batteriezellen mithilfe von Spiegeln, wobei im Fall eines Defektes einer Batteriezelle nach einer dritten Variante festgestellt wird, welche der Batteriezellen diesen Defekt aufweist.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Batteriezelle 10, welche ein Bauteil 12 beinhaltet, dessen Material beispielsweise elektromagnetische Strahlung 13 reflektiert. Die elektromagnetische Strahlung 13 wird von einer Strahlungsquelle 14 emittiert und durch eine für die elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponente 16 in die Batteriezelle 10 eingestrahlt. Nach der Reflexion an dem Bauteil 12 tritt sie über die für elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponente 16 wieder aus der Batteriezelle 10 aus. Eine ausserhalb der Batteriezelle 10 lokalisierte Empfängereinheit 18 detektiert die elektromagnetische Strahlung 13 und sendet die Daten beispielsweise zur Auswertung an eine ausserhalb der Batteriezelle 10 lokalisierte Überwachungseinheit 19. Hierbei kann die Empfängereinheit 18 auch in die Überwachungseinheit 19 integriert sein. Die Überwachungseinheit 19 vergleicht die Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung 13 vor dem Eintreten in die Batteriezelle 10 und nach dem Wiederaustreten aus dieser. Dadurch können Änderungen im Übertragungsverhalten der elektromagnetischen Strahlung 13 nach der Reflexion festgestellt werden. So kann dabei beispielsweise die Lichtintensität oder die spektrale Verteilung der elektromagnetischen Strahlung 13 variieren. Ist die Korrelation zwischen ausgewählten Betriebsbedingungen und Zustandsgrößen innerhalb der Batteriezelle 10 und der damit korrespondierenden Änderung der reflektierten elektromagnetischen Strahlung 13 bekannt, so kann auf einen bestimmten Zustand innerhalb der Batteriezelle 10 geschlossen werden.
Beispielhaft ist nachfolgend eine mögliche Ausführung zur Messung der Innentemperatur und des Innendrucks der Batteriezelle 13 mithilfe elektromagnetischer Strahlung beschrieben. Der Aggregatszustand des Elektrolyten 11 liegt je nach Innentemperatur und Innendruck in der Batteriezelle 10 gasförmig oder flüssig vor. Die Korrelation zwischen Innentemperatur und Innendruck in der Batteriezelle 10 und dem jeweils vorliegenden Aggregatszustand des Elektrolyten 11 auf der einen Seite und der damit verbundenen Änderung der Lichtintensität und der Brechung der elektromagnetischen Strahlung 13 auf der anderen Seite ist beispielsweise in Form eines Kennfelds in der Überwachungseinheit 19 hinterlegt. Die elektromagnetische Strahlung 13 wird beim Durchtritt durch den Elektrolyten 11 aufgrund von Brechung, Reflexion, Absorption oder Beugung, insbesondere an kleinsten Feststoffteilchen des Elektrolyten 11, abgeschwächt. Die Empfängereinheit 18 empfängt die aus der Batteriezelle austretende elektromagnetische Strahlung 13 und sendet die Daten zur Auswertung an eine Überwachungseinheit 19. Diese berechnet den Brechungswinkel der elektromagnetischen Strahlung 13 und vergleicht die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 13 vor Eintritt in die Batteriezelle 10 und nach dem Wiederaustritt aus dieser und wertet diese Daten mithilfe der in dem Kennfeld in der Überwachungseinheit 19 hinterlegten Daten aus. Auf diese Weise wird Kenntnis über den Innendruck sowie die Innentemperatur der Batteriezelle 10 erlangt.
Eine alternative Detektionsmöglichkeit stellt die Messung des Tyndall-Effekts dar. Dieser beschreibt die Lichtstreuung an kleinsten Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit oder in einem Gas, wodurch der Lichtstrahl aufgeweitet wird. Der Elektrolyt 11 liegt flüssig oder gasförmig in der Batteriezelle 10 vor. Die elektromagnetische Strahlung 13 wird an kleinsten Feststoffteilchen im Elektrolyten 11 gestreut, wodurch sich die elektromagnetische Strahlung 13 aufweitet. Diese Aufweitung der elektromagnetischen Strahlung 13 wird von der Empfängereinheit 16, welche beispielsweise als Flächendetektor ausgeführt ist, der unter anderem die Position der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung 13 wahrnimmt, detektiert. Alternativ kann die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 13 an einem Punkt auf dem Detektor gemessen werden, welche durch die Aufweitung abgeschwächt ist.
Auf diese Weise kann zusätzlich der Elektrolyt 11 überwacht werden, da über die Trübung des Elektrolyten 11 Veränderungen in diesem beobachtet werden können.
In 2 ist eine ausgehend von 1 weiterführende Ausführungsform dargestellt. Elektromagnetische Strahlung 13 wird hier im Unterschied zur ersten Ausführungsform parallel durch mindestens zwei verschiedene Lichtkanäle der selben oder verschiedener zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung 13 durchlässig ausgeführter Batteriezellgehäusekomponenten 16 in die Batteriezelle 10 eingestrahlt. Als Lichtkanal wird der Weg des Strahlengangs der elektromagnetischen Strahlung 13 verstanden. Die elektromagnetische Strahlung 13 kann am selben Bauteil 12 bzw. in Form einer Mehrfachreflexion reflektiert werden oder an unterschiedlichen Bauteilen 12. Nach der Reflexion tritt die elektromagnetische Strahlung 13 über die gleichen oder verschiedene zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung 13 durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponenten 16 wieder aus der Batteriezelle 10 aus. Die Detektion und Auswertung der elektromagnetischen Strahlung 13 erfolgt dann wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
Es können somit gleichzeitig verschiedene physikalische Parameter in der Batteriezelle 10 überprüft werden oder optional derselbe physikalische Parameter in mindestens doppelter Form, sodass beispielsweise ein Mittelwert dieser Messdaten gebildet werden kann und dieser zu einem genaueren Messergebnis führt. Gemäß einer weiteren „möglichen“ Ausführungsform erfolgt die Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung 13 unterschiedlicher Wellenlängen durch verschiedene Lichtkanäle des selben oder verschiedener zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung durchlässig ausgeführter Batteriezellgehäusekomponenten 16. Hierbei passiert ausschließlich elektromagnetische Strahlung 13 der gleichen Wellenlänge jeweils einen Lichtkanal. Über die unterschiedlichen Laufzeiten und die Dispersion der jeweiligen elektromagnetischen Strahlung 13 unterschiedlicher Wellenlängen durch die verschiedenen Lichtkanäle, kann eine spektrale Änderung gemessen werden. Wie bereits bei der in 1 dargestellten Ausführungsform beschrieben, wird die spektrale Änderung mit entsprechenden Daten im Kennfeld der Überwachungseinheit 19 verglichen und ausgewertet. Auch diese Methode führt zu einem sehr genauen Messwert in Bezug auf die erfassten physikalischen Parameter.
In den und 2 ist zur vereinfachten Darstellung nur ein Bauteil 12 in der Batteriezelle 10 dargestellt. Mögliche Reflexionen der elektromagnetischen Strahlung 13 sind jedoch nicht auf die Reflexion an einem Bauteil 12 beschränkt. Die elektromagnetische Strahlung 13 kann beliebig oft an beliebig vielen Bauteilen 12 der Batteriezelle 10 reflektiert werden. Der Strahlengang kann beispielsweise ein serieller sein, bei dem elektromagnetische Strahlung 13 eingestrahlt wird, an mehreren Bauteilen 12 in der Batteriezelle 10 reflektiert wird, beispielsweise in einem Z-förmigen Strahlengang, und anschließend wieder ausgestrahlt wird.
In 3 ist eine Batteriezelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im Unterschied zu den 1 und 2 wird hier keine elektromagnetische Strahlung 13 mithilfe einer künstlichen Strahlungsquelle in die Batteriezelle 10 eingestrahlt. Zufällig eingestrahlte elektromagnetische Strahlung 13, beispielsweise Sonnenlicht, stört die in 3 vorgeschlagene Ausführungsform nicht. Zudem ist ein Sensor 21 in die Batteriezelle 10 integriert, welcher physikalische Kenngrößen, wie beispielsweise Spannung, Strom, Ladung, Druck und Temperatur der Batteriezelle 10 detektiert. Die ermittelten physikalischen Kenngrößen werden dann in Form von als elektromagnetische Strahlung 13 kodierte Messdaten durch die für elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponente 16 aus der Batteriezelle 10 ausgesendet und von einer sich ausserhalb der Batteriezelle 10 befindlichen Empfängereinheit 18 detektiert. Diese sendet die Messdaten ihrerseits beispielsweise an eine externe Überwachungseinheit 19.
Die Übertragung dieser Messdaten kann dabei kontinuierlich erfolgen oder es wird in bestimmten Zeitabständen ein Triggersignal von der externen Überwachungseinheit 19 an den Sensor 21 gesendet, um die Messdaten abzurufen.
Der sich in der Batteriezelle 10 befindliche Sensor 21 ist beispielsweise ein Drucksensor zur Bestimmung des Innendrucks in der Batteriezelle 10 oder ein Temperatursensor zur Bestimmung der Innentemperatur in der Batterizelle 10 oder ein Strommessgerät zur Bestimmung des fließenden Stroms in der Batteriezelle 10 oder ein Spannungssensor 28 zur Bestimmung der Spannung in der Batterizelle 10. In 6 sind die Ausführungsformen zur Bestimmung des in der Batteriezelle 10 fließenden Stroms sowie der Bestimmung der in der Batteriezelle vorherrschenden Spannung dargestellt.
Der in der Batteriezelle 10 fließende Strom kann hierbei beispielsweise mittels eines Shunts 25, welcher ein niederohmiger elektrischer Widerstand ist, gemessen werden. Dieser wird in einen Stromabnehmer 17 innerhalb der Batteriezelle 10 eingebaut. An zwei Anschlussstellen des Shunts 25 wird ein Schaltkreis 27 eingebunden, wodurch der Spannungsabfall zwischen den beiden Anschlussstellen gemessen, und daraus die Stromstärke berechnet wird. Zusätzlich kann in den Schaltkreis 27 ein Operationsverstärker 26 eingebaut sein, welcher beispielsweise zur Signalverstärkung dient. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der fließende Strom über Sensoren 21 wie Hall-Sensoren oder GMR-Sensoren gemessen, welche an einem Stromabnehmer 17 im Inneren der Batteriezelle 10 angebracht sind und auf magnetischer Basis funktionieren. Wird beispielsweise ein Hall-Sensor von Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, so liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist.
Ist der sich in der Batteriezelle 10 befindliche Sensor 21 beispielsweise ein Spannungssensor 28 zur Bestimmung der Spannung in der Batterizelle 10, so greift dieser die Spannung beispielsweise zwischen den Batteriezellpolen ab. Die Elektroden und der Separator sind bevorzugt zu einem Wicklungselement aufgerollt, welches auch als Jelly Roll 20 bezeichnet wird. Eine das Wicklungselement umgebende Sicherheitskomponente stellt sicher, dass keine spitzen Gegenstände, wie beispielsweise Nägel, durch diese in die Jelly Roll 20 eindringen und übt somit eine Schutzfunktion aus.
Desweiteren kann über eine Strom-Zeit-Messung die Ladung der Batteriezelle 10 bestimmt werden. Zudem ist die Volumenarbeit der Batteriezelle 10 direkt messbar, wie beispielsweise in der Beschreibung zu 6 erläutert. Über ein Kennfeld kann der ermittelten Volumenarbeit dann eine Ladung zugeordnet werden. Noch genauere Messwerte liefert eine Kombination aus einer Strom-Zeit-Messung und der Messung der Volumenarbeit.
Die aufgeführten Ausführungsformen des Sensors 21 sind lediglich Beispiele und schließen weitere Ausführungsformen zur Bestimmung weiterer physikalischer Parameter in der Batteriezelle 10, und Kombinationen aus diesen, nicht aus.
4 zeigt eine Batteriezelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Überwachung einer Batteriezelle 10 mithilfe elektromagnetischer Strahlung 13. Dabei ist eine sogenannte Fischaugenlinse 22 auf der Innenseite der für elektromagnetische Strahlung 13 transparenten Batteriezellgehäusekomponente 16, vorzugsweise an der inneren Gehäusewand der Batteriezelle 10 angebracht. Je nach Überwachungsbereich kann diese in verschiedenen Ausführungen, die Brechkraft, Größe usw. betreffend, gestaltet sein und an verschiedenen Positionen in der Batteriezelle 10 platziert sein. Von einer Strahlungsquelle 14 emittierte elektromagnetische Strahlung 13 passiert die für elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässige Batteriezellgehäusekomponente 16 und trifft auf eine sogenannte Fischaugenlinse 22. Diese lenkt die parallele elektromagnetische Strahlung 13 derart um, dass diese aufgeweitet wird. Dadurch können vorzugsweise alle Bauteile im Inneren der Batteriezelle 10 von der elektromagnetischen Strahlung 13 erreicht werden. Im Optimalfall trifft die elektromagnetische Strahlung 13 in einem 90° Winkel auf die jeweiligen Bauteile 12. Die Bauteile 12 reflektieren die elektromagnetische Strahlung 13, welche im Fall eines 90°-Auftreff-Winkels über genau den gleichen Strahlengang zurückläuft. Nach dem Austreten der elektromagnetischen Strahlung 13 aus der Batteriezelle 10 wird diese von einer Empfängereinheit 18 detektiert. Diese übermittelt die empfangenen Daten beispielsweise an eine Überwachungseinheit 19. Bei der Reflexion an Bauteilen im Inneren der Batteriezelle 10 ist der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung 13 gleich dem Ausfallswinkel dieser. Trifft die elektromagnetische Strahlung 13 nicht in einem 90° Winkel auf Bauteile 12 im Inneren der Batteriezelle 10, so trifft diese voraussichtlich bei ihrem Austritt auf eine andere Stelle der Fischaugenlinse 22 und tritt auch in einem anderen Winkel aus der Batteriezelle 10 aus. Die Empfängereinheit 18 enthält gegebenenfalls einen nicht dargestellten Filter, welcher die elektromagnetische Strahlung 13, die nicht in einem 90° Winkel auftrifft, filtert. Das Messergebnis setzt sich somit nur aus Messwerten zusammen, bei denen die elektromagnetische Strahlung 13 den vorhergesehenen Strahlengang durchlaufen hat und an den jeweiligen Bauteilen 12 reflektiert wurde. Der Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung 13 beim Ein- und Ausstrahlen verläuft antiparallel, weshalb vorzugsweise zeitlich versetzt in Zeitintervallen eingestrahlt und die aus der Batteriezelle 10 austretende elektromagnetische Strahlung 13 detektiert wird.
In 5 ist eine Batteriezelle 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt, bei welcher Druck und/oder Temperatur innerhalb der Batteriezelle 10 durch Beugung an einem Spalt 24 überwacht werden. Eine erste zumindest teilweise durchlässige Batteriezellgehäusekomponente 16 der Batteriezelle 10 ist in Form eines Spalts 24 mit definierter Breite ausgeführt. Trifft die elektromagnetische Strahlung 13 auf den Spalt 24, so kommt es zur Beugung an diesem. Hinter dem Spalt 24 bildet sich nach dem Huygenschen Prinzip eine Wellenfront, bei der sich die elektromagnetische Strahlung 13 in Form von Wellen gleichmäßig ausbreitet und überlagert. Dabei kommt es zu konstruktiver Interferenz, aus welcher Maxima resultieren und zu destruktiver Interferenz, aus welcher Minima resultieren. Auf der gegenüberliegenden Seite der Batteriezelle 10 ist eine zweite zumindest teilweise durchlässige Batteriezellgehäusekomponente 16 angebracht, durch die das von der elektromagnetischen Strahlung 13 gebildete Intereferenzmuster auf eine hinter dieser auf der Außenseite der Batteriezelle 10 lokalisierte Empfängereinheit 18 trifft. Diese detektiert das Interferenzmuster und übermittelt die empfangenen Daten an eine Überwachungseinheit 19, welche diese auswertet. Das Interferenzmuster ist je nach Druck und Temperatur verschieden ausgeprägt. Die Korrelation des Interferenzmusters der elektromagnetischen Strahlung 13 mit dem Druck bzw. der Temperatur in der Batteriezelle 10 ist in Form eines Kennfelds in der Überwachungseinheit 19 hinterlegt.
Desweiteren ist es ebenfalls möglich Druck und/oder Temperatur innerhalb der Batteriezelle 10 durch Beugung an einem Doppelspalt oder an einem Mehrfachspalt zu überwachen, wobei die Funktionsweise analog zu jener beim Einzelspalt ist wohingegen sich allerdings das Interferenzmuster jeweils unterscheidet.
Alternativ befindet sich die in den , 2, , , und dargestellte Empfängereinheit 18 innerhalb der Batteriezelle 10. Die Daten, welche durch die Detektion und Auswertung elektromagnetischer Strahlung 13 ermittelten werden, werden in diesem Fall an eine externe Überwachungseinheit 19 übertragen. Optional kann die Überwachungseinheit 19 ebenfalls innerhalb der Batteriezelle 10 lokalisiert sein. In diesem Fall werden die Daten an eine externe Anzeigeeinheit übertragen.
In 7 sind zwei Batteriezellen 10a und 10b dargestellt, welche jeweils zwei Linsen 23a und 23b zur Überwachung der Batteriezellen 10a und 10b beinhalten. Hierbei enthält die erste Batteriezelle 10a eine erste Linse 23a, die an der Innenseite einer ersten für elektromagnetische Strahlung 13 transparenten Batteriezellgehäusekomponente 16 angebracht ist und eine auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Batteriezelle 10a angebrachte zweite Linse 23b, die an der Innenseite einer zweiten für elektromagnetische Strahlung 13 transparenten Batteriezellgehäusekomponente 16 angebracht ist. Die elektromagnetische Strahlung 13 tritt über die erste für elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponente 16 in die erste Batteriezelle 10a ein, fällt auf die an der Innenseite der für elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässig ausgeführten Batteriezellgehäusekomponente 16 implementierte erste Linse 23a und wird von dieser gebrochen. Anschließend durchläuft die elektromagnetische Strahlung 13 die erste Batteriezelle 10a und fällt auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Batteriezelle 10a auf die, an der Innenseite der zweiten für elektromagnetische Strahlung 13 transparenten Batteriezellgehäusekomponente 16 implementierte, zweite Linse 23b und wird von dieser erneut gebrochen. Anschließend verlässt die elektromagnetische Strahlung 13 die erste Batteriezelle 10a wieder über die zweite für elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponente 16 der ersten Batteriezelle 10a und tritt über die erste für elektromagnetische Strahlung 13 zumindest teilweise durchlässig ausgeführte Batteriezellgehäusekomponente 16 der zweiten Batteriezelle 10b in die zweite Batteriezelle 10b ein. Der weitere Verlauf der elektromagnetischen Strahlung 13 entspricht dem Verlauf der elektromagnetischen Strahlung 13 beim Durchtritt durch die erste Batteriezelle 10a. Nach dem Austritt der elektromagnetischen Strahlung 13 aus der zweiten Batteriezelle 10b wird diese von einer Empfängereinheit 18 detektiert, welche die empfangenen Daten an eine Überwachungseinheit 19 übermittelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die für elektromagnetische Strahlung durchlässige Batteriezellgehäusekomponente 16 selbst als Linse 23a bzw. 23b ausgeführt.
Die elektromagnetische Strahlung 13 kann beliebig viele Batteriezellen 10 auf die beschriebene Weise passieren. In 7 passiert die elektromagnetische Strahlung 13 beispielhaft zwei Batteriezellen 10a und 10b, ehe sie von einer Empfängereinheit 18 detektiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Strahlungsquelle 14 in einem bestimmten Rhythmus an- und ausgeschaltet, um die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung 13 von der Strahlungsquelle 14 bis zur Empfängereinheit 18 zu ermitteln. Die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung 13 ändert sich, wenn Veränderungen in der Batteriezelle 10a und/oder 10b auftreten, wie beispielsweise ein Wechsel des Aggregatzustands des Elektrolyten 11.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Ladungszustand einer Batteriezelle 10 ermittelt. Beim Ladevorgang einer Batteriezelle 10 entsteht Volumenarbeit, wodurch sich das Batteriezellgehäuse der Batteriezelle 10 leicht verformt. Dadurch verschiebt sich der Brennpunkt der Linse 23. Diese Verschiebung wird mittels der Empfängereinheit 18 detektiert und von der Überwachungseinheit 19 ausgewertet. Hierbei kann beispielsweise die Veränderung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung 13 gemessen werden, da durch die Verschiebung des Brennpunktes beispielsweise nur der Teil der elektromagnetische Strahlung 13 detektiert wird, der nach der Verschiebung des Brennpunktes immer noch auf die Empfängereinheit 18 trifft. Die Korrelation der Volumenarbeit der Batteriezelle 10 und der damit verbundenen Intensität der gemessenen elektromagnetischen Strahlung 13 auf der einen Seite und dem Ladungszustand der Batteriezelle 10 auf der anderen Seite, ist in Form eines Kennfelds in der Überwachungseinheit 19 hinterlegt. Die kombinierte Erfassung der Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung 13 und des Ladungszustandes der Batteriezelle 10 ist hierbei vorteilhaft.
In den 8–10 sind Batterien gemäß einer siebten Ausführungsform in unterschiedlichen Varianten zur parallelen Überwachung mehrerer Batteriezellen 10 der Batterie dargestellt, wobei im Fall eines Defektes einer Batteriezelle 10 nach den unterschiedlichen Varianten festgestellt wird, welche der Batteriezellen 10 diesen Defekt aufweist. Auf diese Weise können beispielsweise der Ladungszustand der Batteriezelle 10, die Dichte des Elektrolyten und weitere Parameter der Batteriezelle 10 überwacht werden. In den genannten Abbildungen sind jeweils 5 Batteriezellen 10a–10e abgebildet. Die Batteriezellen 10a–10e weisen zwei zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung 13 durchlässig ausgeführte seitliche Begrenzungsflächen des Batteriezellgehäuses auf. Hinter jeweils der in Strahlungsrichtung hinteren der zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung 13 durchlässig ausgeführten seitlichen Begrenzungsflächen der Batteriezellgehäuse der Batteriezellen 10a–10e ist eine für elektromagnetische Strahlung 13 reflektierende Ebene, beispielsweise ein Spiegel 33a–33e angebracht. Dieser kann optional auch an der Innenseite der seitlichen Begrenzungsflächen der Batteriezellgehäuse 10a–10e positioniert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die seitliche Begrenzungsfläche des Batteriezellgehäuses selbst aus einem Spiegel 33a–33e. Hinter der in Strahlungsrichtung letzten zu überwachenden Batteriezelle 10e, ist eine erste Empfängereinheit 18a lokalisiert. Der Strahlengang der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung 13 ändert sich beispielsweise beim Ladevorgang einer Batteriezelle 10a–e und ist in den – durch eine Linie dargestellt. Nachfolgend wird zwischen elektromagnetischer Strahlung 13a, welche den vorhergesehenen Weg durchläuft, und nicht reflektiert wird, abweichender elektromagnetischer Strahlung 13b, welche aufgrund einer Abnormalität in einer Batteriezelle 10a–10e einen nicht vorhergesehenen Weg durchläuft und reflektierter elektromagnetischer Strahlung 13c, welche reflektiert wurde, unterschieden.
In 8 sind die sich hinter den Batteriezellen 10a–10e befindlichen Spiegel 33a–33e für elektromagnetische Strahlung 13 halbdurchlässig ausgeführt. Sie weisen jeweils eine Aussparung in dem Bereich auf, durch den die elektromagnetische Strahlung 13a fällt, wenn in den Batteriezellen 10a–10e kein Defekt vorliegt und die Änderung des Strahlenganges der elektromagnetischen Strahlung 13a in einem vorgebbaren Normalbereich liegt. Nachdem die elektromagnetische Strahlung 13a die zu überwachenden Batteriezellen 10a–10e passiert hat, trifft sie auf eine erste Empfängereinheit 18a, welche vorzugsweise als Flächendetektor ausgeführt ist, und wird von dieser an Position A detektiert. Die erste Empfängereinheit 18a übermittelt die detektierten Daten an eine Überwachungseinheit 19. Die Korrelation der Position an welcher die elektromagnetische Strahlung 13a auf die erste Empfängereinheit 18a trifft mit der des korrespondierenden Zustandes der jeweiligen Batteriezellen 10a–10e ist in Form eines Kennfelds in der Überwachungseinheit 19 hinterlegt. Ein auftretendes erstes Signal an Position A bedeutet beispielsweise, dass keine der zu überwachenden Batteriezellen 10a–10e einen Defekt aufweist, da die elektromagnetische Strahlung 13a die Batteriezellen 10a–10e wie erwartet passiert und es keine Veränderungen in den Batteriezellen 10a–10e gibt, die zu einer abweichenden elektromagnetischen Strahlung 13b führen.
Tritt beispielsweise ein Defekt in der Batteriezelle 10d auf, so ändert sich der Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung 13a während des Durchtritts durch die Batteriezelle 10d. Es resultiert eine abweichende elektromagnetische Strahlung 13b. Die abweichende elektromagnetische Strahlung 13b passiert nicht die Aussparung des sich hinter der Batteriezelle 10d befindlichen Spiegels 33d, weshalb diese nicht zu der ersten Empfängereinheit 18a gelangt und die erste Empfängereinheit 18a kein Signal an die Überwachungseinheit 19 ausgibt. Stattdessen trifft die abweichende elektromagnetische Strahlung 13b auf eine Stelle des Spiegels 33d, welche zumindest teilweise reflektierend ausgeführt ist und diese reflektiert. Die reflektierte elektromagnetische Strahlung 13c passiert die Batteriezelle 10d, den für reflektierte elektromagnetische Strahlung 13c in diese Strahlungsrichtung durchlässig ausgeführten Spiegel 33c sowie die Batteriezellen 10c–10a mit den sich dazwischen befindlichen Spiegeln 33b und 33a und trifft auf eine zweite Empfängereinheit 18b, welche vorzugsweise als Flächendetektor ausgeführt ist. Die zweite Empfängereinheit 18b detektiert das Auftreffen der reflektierten elektromagnetischen Strahlung 13c an Position L und übermittelt ein Signal an die Überwachungseinheit 19. Während des Durchtritts der elektromagnetischen Strahlung 13a durch eine defekte Batteriezelle 10a–10e verschiebt sich der Strahlengang aufgrund veränderter Parameter zu abweichender elektromagnetischer Strahlung 13b und wird reflektiert. Die reflektierte elektromagnetische Strahlung 13c trifft schließlich an unterschiedlichen Positionen auf der zweiten Empfängereinheit 18b auf. Eine solche Verschiebung des Strahlengangs kann beispielsweise an einer durch hohe Innentemperaturen verursachten veränderten Dichte des Elektrolyten in einer oder mehreren Batteriezellen 10a–10e liegen. Auf diese Weise kann ermittelt werden, welche der Batteriezellen 10a–10e defekt ist. Beispielsweise wird ein Defekt in der Batteriezelle 10c auf der zweiten Empfängereinheit 18b an Position N detektiert, ein Defekt der Batteriezelle 10b an Position O auf der zweiten Empfängereinheit 18b und ein Defekt in der Batteriezelle 10e an Position C auf der ersten Empfängereinheit 18a und als Position K auf der zweiten Empfängereinheit 18b. Zur Erkennung eines Defekts in der Batteriezelle 10e ist die erste Empfängereinheit 18a außerhalb der Position A teilweise durchlässig für elektromagnetische Strahlung 13b ausgeführt, sodass ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 13b von der ersten Empfängereinheit 18a an Position C detektiert wird und ein zweiter Teil an dem, sich hinter der ersten Empfängereinheit 18a befindlichen, Spiegel 33e reflektiert wird.
9 stellt eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 8 dar. Die sich hinter den Batteriezellen 10a–10e befindlichen Spiegel 33a–33e sind, abgesehen von den Aussparungen wie in der Erläuterung zu 8 beschrieben, undurchlässig für elektromagnetische Strahlung 13a–13c ausgeführt. Desweiteren ist anstatt der zweiten Empfängereinheit 18b eine dritte Empfängereinheit 18c, welche vorzugsweise als Flächendetektor ausgeführt ist, an der Oberseite der Batteriezellen 10a–10e angebracht. Tritt in keiner der zu überwachenden Batteriezellen 10a–10e ein Defekt auf, so durchläuft die elektromagnetische Strahlung 13a die Batteriezellen 10a–10e, wie in der Erläuterung zu 8 beschrieben, und wird von der ersten Empfängereinheit 18a detektiert.
Tritt beispielsweise ein Defekt in der Batteriezelle 10c auf, so verändert sich der Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung 13a während des Durchtritts durch die Batteriezelle 10c und es resultiert eine abweichende elektromagnetische Strahlung 13b. Die abweichende elektromagnetische Strahlung 13b passiert nicht die Aussparung des sich in Strahlungsrichtung hinter der Batteriezelle 10c befindlichen Spiegels 33c, weshalb diese nicht zu der ersten Empfängereinheit 18a gelangt und die erste Empfängereinheit 18a kein Signal an die Überwachungseinheit 19 ausgibt. Stattdessen trifft die abweichende elektromagnetische Strahlung 13b auf eine Stelle des Spiegels 33c, welche reflektierend ausgeführt ist und wird über die Spiegel 33c und 33b solange reflektiert, bis sie auf die dritte Empfängereinheit 18c trifft und von dieser an Position E detektiert wird. Auch in dieser Ausführungsform ist die erste Empfängereinheit 18a, außer an Position A, teilweise durchlässig für elektromagnetische Strahlung 13b ausgeführt, sodass im Fall eines Defekts in der Batteriezelle 10e ein Teil der elektromagnetischen Strahlung 13b an dem Spiegel 33e reflektiert wird.
10 stellt eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 8 dar. Im Unterschied zum Aufbau in 8 ist die erste Empfängereinheit 18a in 10 zumindest teilweise reflektierend ausgeführt und es befindet sich eine zusätzliche Strahlungsquelle 14 an Position A. Position A entspricht der Position, an welcher die elektromagnetische Strahlung 13a auf den Detektor 18a trifft, wenn in den Batteriezellen 10a–10e kein Defekt auftritt. Die zusätzliche Strahlungsquelle 14 sendet elektromagnetische Strahlung 13a´ aus. Diese passiert die Batteriezellen 10e bis 10a, beginnend bei Batteriezelle 10e, und trifft auf die zweite Empfängereinheit 18b.
Tritt in keiner der zu überwachenden Batteriezellen 10a–10e ein Defekt auf, so durchläuft die elektromagnetische Strahlung 13a die Batteriezellen 10a–10e, wie in den Erläuterung zu 8 beschrieben, und wird von der ersten Empfängereinheit 18a an Position A detektiert. Außerdem wird die elektromagnetische Strahlung 13a an der ersten Empfängereinheit 18a teilweise reflektiert und an der Position M auf der zweiten Empfängereinheit 18b detektiert. Zusätzlich erreicht die von der zusätzlichen Strahlungsquelle 14 an Position A ausgesandte elektromagnetische Strahlung 13a´ die zweite Empfängereinheit 18b an Position Q.
Tritt beispielsweise ein Defekt in der Batteriezelle 10e auf, so verändert sich der Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung 13a beim Durchtritt durch die Batteriezelle 10e, wodurch eine abweichende elektromagnetische Strahlung 13b resultiert. Die abweichende elektromagnetische Strahlung 13b trifft dann an Position C auf die erste Empfängereinheit 18a, wird detektiert und gleichzeitig teilweise reflektiert, sodass die reflektierte elektromagnetische Strahlung 13c auf der zweiten Empfängereinheit 18b an Position K detektiert wird. Zusätzlich wird elektromagnetische Strahlung 13a´ von der zusätzlichen Strahlungsquelle 14 an Position A ausgesandt, deren Strahlengang sich ebenfalls durch den Defekt verschiebt und somit auf der zweiten Empfängereinheit 18b an Position P detektiert wird. Wird elektromagnetische Strahlung 13b´ an Position P und elektromagnetische Strahlung 13c an Position K auf der zweiten Empfängereinheit 18b und an Position C auf der ersten Empfängereinheit 13a detektiert, so liegt ein Defekt in Batteriezelle 10e vor.
Die Korrelation der Position, an welcher die elektromagnetische Strahlung 13a–13c auf die Empfängereinheit 18a–c trifft, mit dem jeweiligen Zustand der jeweiligen Batteriezellen 10a–10e ist beispielsweise in Form eines Kennfelds in der Überwachungseinheit 19 hinterlegt.
Anstelle der Spiegel 33a–33e, kann auch eine Komponente aus beliebigem Material mit reflektierenden Eigenschaften verwendet werden.
Optional kann auch ein Abstand, wie in 7 dargestellt, zwischen den zu überwachenden Batteriezellen 10a–10e bestehen. Die in 7 dargestellte Ausführungsform zur Überwachung der Batteriezellen 10 mithilfe von Linsen 23 kann zudem mit den in den 8–10 beschriebenen Ausführungsformen zur Überwachung der Batteriezellen 10a–10e mithilfe von Spiegeln 33a–33e kombiniert werden. In dieser kombinierten Ausführungsform ist hinter jeder Batteriezelle 10a–10e, wie in den Erläuterungen zu 8 beschrieben, ein Spiegel 33a–33e angebracht. Der Spiegel 33a–33e kann je nach Ausführungsform halbdurchlässig oder undurchlässig für elektromagnetische Strahlung 13a–13c bzw. 13a´ und 13b´ sein. Zudem enthält jede der Batteriezellen 10a–10e zwei Linsen 23, die an den seitlichen Begrenzungsflächen der Batteriezellgehäuse 10a–10e, wie in 7 dargestellt, angebracht sind. Weist keine der Batteriezellen 10a–10e einen Defekt auf, so passiert die elektromagnetische Strahlung 13a die Batteriezellen 10a–10e, wie in 7 dargestellt, über Linsen 23. Weist eine der Batteriezellen 10a–10e einen Defekt auf, so tritt die elektromagnetische Strahlung 13a in die defekte Batteriezelle 10a–10e über die erste Linse 23 ein und wird durch den auftretenden Defekt abgelenkt. Die abweichende elektromagnetische Strahlung 13b trifft somit nicht auf die sich an oder in der seitlichen Begrenzungsfläche der betroffenen Batteriezelle 10a–10e befindlichen zweiten Linse 23 sondern trifft auf den sich hinter der Batteriezelle 10a–10e befindlichen Spiegel 33a–33e bzw. im Fall von Batteriezelle 10e gegebenenfalls auf einen zumindest teilweise reflektierend ausgeführten Detektor und wird reflektiert. Je nach Ausführungsform ist der weitere Verlauf und die Detektion der elektromagnetischen Strahlung 13a–13c den Beschreibungen zu den 8–10 zu entnehmen.
Die in den Figuren dargestellten Batteriezellen 10a–10e, Spiegel 33a–33e und Empfängereinheiten 18a–18c sind zum einfacheren Verständnis als unterschiedliche Baugruppen dargestellt. Eine Realisierung als integraler Bestandteil der Batteriezelle 10 ist vorteilhaft bei Aufbau und Wartung des Systems. Der Aufbau kann im Gegensatz zu einer rein elektrischen Überwachung auch für Batteriezellen 10 unterschiedlichen Typs (Li-Ionen, Blei-Säure) verwendet werden und liefert zuverlässig Resultate auch außerhalb des zulässigen Arbeitsbereichs der Batteriezellen 10. Vorteilhaft ist vor allem, dass die Batteriezellen 10 im Wartungsfall durch neuere leistungsstärkere Batteriezellen 10 ausgetauscht werden können, welche die Erfindung implementiert haben, ohne dass die Überwachungseinheit angepasst werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 000069636651 T2 [0002]
DE 000069132881 T2 [0003]
DE 000069312732 T2 [0004]
WO 2011162417 A1 [0005]

Claims

Batteriezelle (10), insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle oder eine Lithium-Luft-Batteriezelle, mit mindestens einer negativen und einer positiven Elektrode, einem Elektrolyten (11), sowie einem Batteriezellgehäuse, welches eine Bodenplatte, mindestens eine seitliche Begrenzungsfläche sowie eine obere Begrenzungsplatte umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batteriezellgehäusekomponente (16), in Form eines Dichtelements am Batteriezellgehäuse, der Bodenplatte oder der mindestens einen seitlichen Begrenzungsfläche des Batteriezellgehäuses oder in Form eines Durchflusselements des Batteriezellgehäuses für Betriebsmedien der Batteriezelle (10), zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung (13) durchlässig ausgeführt ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement am Batteriezellgehäuse eine Dichtung der Stromabnehmer (17) der Batteriezelle gegenüber dem Batteriezellgehäuse ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflusselement des Batteriezellgehäuses für Betriebsmedien der Batteriezelle (10) ein Überdruckventil und/oder der Verschluss einer Elektrolyt-Einfüllöffnung ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Komponente der Batteriezelle (10), welche das Wicklungselement umgibt, zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung (13) durchlässig ausgeführt ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil im Inneren des Batteriezellgehäuses, insbesondere die mindestens eine Innenwand des Batteriezellgehäuses, ein Wicklungselement oder eine das Wicklungselement umgebende Sicherheitskomponente, für die elektromagnetische Strahlung (13) reflektierend ausgeführt ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Strahlungsquelle(14) erzeugte elektromagnetische Strahlung (13) zur Überwachung der Batteriezelle (10) eingesetzt wird.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Empfängereinheit (18) zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung (13) vorgesehen ist.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinheit (19) zur Auswertung der von der, insbesondere in die Überwachungseinheit (19) integrierten, Empfängereinheit (18) erfassten elektromagnetischen Strahlung (13) vorgesehen ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Inneren des Batteriezellgehäuses angeordneter Sensor (21) zur Detektion physikalischer Kenngrößen vorgesehen ist, und dass der Sensor (21) auf Basis der detektierten physikalischen Kenngrößen generierte Sensorsignale in Form elektromagnetischer Strahlung (13) emittiert.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine außerhalb des Batteriezellgehäuses positionierte Überwachungseinheit (19) zur Auswertung von Sensorsignalen in Form emittierter elektromagnetischer Strahlung (13) vorgesehen ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Bauteil, insbesondere eine Linse (22, 23), ein Spalt (24) oder ein Prisma, im Inneren des Batteriezellgehäuses vorgesehen ist.
Batterie mit mindestens einer Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Bauteil, vorzugsweise eine Linse (23), über mehrere Batteriezellen (10) hinweg implementiert ist.
Verfahren zur Überwachung des Innenraums einer Batteriezelle (10) bzw. einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung (13), die eine zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung (13) durchlässige Batteriezellgehäusekomponente (16) einer Batteriezelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 passiert, erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung (13) durch die zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung (13) durchlässige Batteriezellgehäusekomponente (16) in das Innere eines Gehäuses der Batteriezelle (10) eingestrahlt, an einem Bauteil im Inneren reflektiert und von einer Empfängereinheit (18) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei unterschiedlichen Positionen des Gehäuses der Batteriezelle (10) durch zumindest teilweise für elektromagnetische Strahlung (13) durchlässige Batteriezellgehäusekomponenten (16) elektromagnetische Strahlung (13) in das Innere des Gehäuses der Batteriezelle (10) eingestrahlt wird, und die jeweils eingestrahlte elektromagnetische Strahlung (13) separat detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung (13) unterschiedlicher Wellenlängen eingestrahlt wird, und die elektromagentische Strahlung (13) frequenzabhängig detektiert wird, wobei insbesondere eine spektrale Änderung der elektromagnetischen Strahlung über Messung der Laufzeit und/oder einer innerhalb des Batteriezellgehäuses erfolgten Extinktion bestimmt wird.