DE102014201031A1

DE102014201031A1 - Batterieeinheit

Info

Publication number: DE102014201031A1
Application number: DE102014201031.4A
Authority: DE
Inventors: Marius Schrader
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (1), die mindestens eine Batteriezelle (2) und eine Überwachungseinheit (3) der Batteriezelle (2) aufweist, wobei die Überwachungseinheit (3) mindestens eine Signalleitung (5) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass diese bei einer Volumen- und/oder Druckerhöhung in der Batteriezelle (2) ihr Übertragungsverhalten ändert, wobei die Signalleitung (5) auf einer Oberfläche der Batteriezelle (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit, die mindestens eine Batteriezelle und eine Überwachungseinheit der Batteriezelle aufweist.
Herkömmliche Batterien können unter starker Belastung oder bei Überlastung in einen thermisch schwer kontrollierbaren Zustand geraten. Dabei können sie überhitzen, einen gefährlichen inneren Druck (auch Zellinnendruck genannt) bis hin zum Bersten oder Explodieren der Zelle und des Gehäuses aufbauen, wodurch gefährliche Stoffe freigesetzt werden können. Speziell im Bereich moderner Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien besteht eine besondere Gefährdung, da diese Batterien flüssige, brennbare, organische Elektrolyte enthalten. Diese Batterien können unter äußerst ungünstigen Umständen in Brand geraten und dann ein sicherheitstechnisches Problem darstellen. Deshalb sind in herkömmlichen Batterien mit formstabilem Zellgehäuse (sogenannte Hard-case-Zellen) Sicherheitsventile integriert, die einen Überdruck der Batterie kontrolliert ablassen und die bei einer Auslösung einen Brand oder eine thermische Zerstörung der Batterie verhindern sollen. Diese Lösung ist bei Pouch-Zellen (auch als Coffee Bag Zelle oder Softpack-Zelle bekannt) nicht möglich. Bei einer Pouch-Zelle ist der elektrochemisch wirksame Zellinhalt durch eine Folie umschlossen.
Aus der DE 10 2010 012 936 A1 ist ein Zellverbund mit einer vorgebbaren Anzahl von parallel und/oder seriell miteinander elektrisch verschalteten Einzelzellen bekannt, wobei eine Kraftmesseinrichtung in den Zellenverbund integriert ist. Mittels der integrierten Kraftmesseinrichtung soll sichergestellt werden, dass aufgrund einer Belastung oder Überlastung der Batterie resultierende Erhöhung des Zellinnendrucks sicher detektiert wird. Wird durch die Kraftmesseinrichtung ein erhöhter Zellinnendruck detektiert, kann die Batterie vorteilhafterweise von den Verbrauchern und/oder eine Ladeelektronik getrennt werden. Die Kraftmesseinrichtung ist als Kraftmessdose oder als Dehnmessstreifen ausgebildet, wobei die Kraftmesseinrichtung vorzugsweise zentral an einer Stirnseite des Zellverbundes angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind die Batteriezellen Pouch-Zellen.
Nachteilig ist die relativ schwierige Auswertung, da die Kraft des gesamten Zellverbundes an einer relativ kleinen Fläche erfasst wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Batterieeinheit mit einer Überwachungseinheit zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und/oder eine einfache Auswertung erlaubt.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu weist die Batterieeinheit mindestens eine Batteriezelle und eine Überwachungseinheit auf, wobei die Überwachungseinheit mindestens eine Signalleitung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass diese bei einer Volumen- und/oder Druckerhöhung in der Batteriezelle ihr Übertragungsverhalten ändert, wobei die Signalleitung auf einer Oberfläche der Batteriezelle angeordnet ist. Im einfachsten Fall ist die Signalleitung derart ausgebildet, dass bei einer bestimmten Volumen- und/oder Druckerhöhung die Signalleitung getrennt wird. In diesem Fall besteht die Auswertung lediglich in der Aussage "Signal" oder "kein Signal". Dabei kann vorgesehen sein, dass die Signalleitung hierzu mit entsprechenden Soll-Bruchstellen ausgebildet ist. Im einfachsten Fall wird die Signalleitung jedoch nur einfach ausreichend dünn gewählt. Allerdings kann auch die Änderung des Signalverhaltens quantitativ bewertet werden, beispielsweise mittels einer piezoresistiven Signalleitung. Die Signalleitung kann sowohl optisch als auch elektrisch sein, wobei jedoch bei optischen Signalleitungen die Mindestbiegeradien der Signalleitung zu beachten sind, was deren Einsatzmöglichkeit beschränkt. Die Überwachung kann dabei kontinuierlich oder periodisch und/oder situativ erfolgen. Eine situative Überwachung wäre es beispielsweise, über die Signalleitung stets dann ein Signal zu übertragen, wenn eine Situation auftritt, bei der eine Überlast zu befürchten ist (beispielsweise bei Ladevorgängen).
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Batteriezelle als Pouch-Zelle, insbesondere als eine Li-Ionen-Batteriezelle ausgebildet, wobei nachfolgend Li-Ionen-Zellen allgemein für alle Batteriezellen auf Li-Basis verstanden werden soll. Insbesondere bei den Pouch-Zellen kommt es aufgrund der dehnbaren Folie zu signifikanten Volumenänderungen, die dann einfach detektierbar sind. Aufgrund der signifikanten Volumenänderung besteht somit ein ausreichender Spielraum bzw. Toleranzbereich zur Einstellung der Signalleitung, insbesondere wenn die Volumenänderung zu einer Trennung der Signalleitung führen soll.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Signalleitung als elektrische Signalleitung ausgebildet, beispielsweise als isolierte Kupferleitung mit einem Durchmesser von 1 bis 0,1 mm, vorzugsweise 0,8 bis 0,2 mm.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Signalleitung auf der Oberfläche der Batteriezelle fixiert, beispielsweise mittels eines geeigneten Klebers oder eines Klebebandes. Hierdurch wird ein inniger Kontakt zwischen Signalleitung und Batteriezelle hergestellt, der ein gutes Übertragungsverhalten der Volumen- und/oder Druckänderung der Batteriezelle auf die Signalleitung gewährleistet. Darüber hinaus wird so einer temperaturbedingten Ausdehnung/Verlängerungverhalten der Signalleitung entgegengewirkt.
Bei einer Ausbildung der Batteriezelle als Pouch-Zelle weist die Oberfläche der Batteriezelle einen den Batteriezelleninhalt begrenzenden Anteil und eine Siegelnaht auf. Dabei kann die Signalleitung abwechselnd über eine Oberseite und eine Unterseite der Siegelnaht geführt sein, sodass ein Öffnen der Signalnaht detektiert wird. Die Signalleitungsführung kann dabei beispielsweise zickzackförmig oder wellenförmig sein. Alternativ oder kumulativ kann eine oder die Signalleitung über mindestens einen den Batterieinhalt begrenzenden Anteil geführt sein, um eine Volumenvergrößerung der Elektrolyten zu erfassen. Dabei kann die Signalleitung zusätzlich über die Siegelnaht geführt sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batteriezelle zwei parallele Ableiter auf, die aus einer gleichen Seite der Batteriezelle herausgeführt sind. In diesem Fall ist dann die Signalleitung vorzugsweise zwischen dem Ableiter geführt, was zusätzlich eine Führung der Signalleitung bewirkt.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Batteriezelle zwei einander gegenüberliegende Ableiter auf, die aus verschiedenen Seiten der Batteriezelle herausgeführt sind, wobei die mindestens eine Signalleitung radial um eine virtuelle Achse zwischen den Ableitern um die Batteriezelle geführt ist. Dadurch stört die Signalleitung nicht beim Kontaktieren der Ableiter. Dabei sei angemerkt, dass die Ableiter die Elektroden, also Anode und Kathode, der Batteriezelle darstellen. Weiter sei klargestellt, dass bei den Ausführungsformen mit parallelen oder gegenüberliegenden Ableitern auch andere Signalleitungswege möglich sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batterieeinheit mehrere Batteriezellen auf, wobei jeder Batteriezelle mindestens eine eigene Signalleitung zugeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass jede Batteriezelle einzeln überwacht wird und somit auch ein Defekt lokal einer Batteriezelle zugeordnet werden kann. Dabei können einer Batteriezelle auch mehrere Signalleitungen zugeordnet sein, beispielsweise eine Signalleitung zur Überwachung des Volumens und/oder Drucks und mindestens eine Signalleitung zur Überwachung der Siegelnaht.
Alternativ kann die Batterieeinheit mehrere Batteriezellen aufweisen, wobei mindestens eine Signalleitung über mindestens zwei Batteriezellen geführt ist. Hierdurch wird der Aufwand der Überwachung bzw. der Auswertung der Überwachung reduziert, dafür aber die Lokalisierung des Fehlers verringert. Dies ist aber gegebenenfalls vertretbar, da insbesondere bei einer Fixierung der Signalleitung optisch der Ort der Trennung der Signalleitung erkennbar bleibt. Im Extremfall kann eine einzige Signalleitung über alle Batteriezellen geführt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Batterieeinheit in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Draufsicht auf eine Batterieeinheit in einer zweiten Ausführungsform und
3 eine schematische Teildarstellung einer Batteriezelle in einer dritten Ausführungsform.
In der 1 ist eine Batterieeinheit 1 dargestellt, die mindestens eine Batteriezelle 2 aufweist, die als Pouch-Zelle ausgebildet ist. Des Weiteren weist die Batterieeinheit 1 eine Überwachungseinheit 3 auf, die ein Steuergerät 4 und eine Signalleitung 5 aufweist. Die Pouch-Zelle weist einen Folienkörper auf, in dem die Elektrolyten sich befinden. Hierzu wurden zwei Folien derart miteinander verbunden, dass sich eine umlaufende Siegelnaht 7 ausbildet, wohingegen der mittige Bereich einen den Batteriezelleninhalt begrenzenden Anteil 8 einer Oberfläche der Pouch-Zelle darstellt. Weiter weist die Pouch-Zelle zwei Ableiter 9 auf, die parallel herausgeführt sind. Die Signalleitung 5 ist dabei um die Pouch-Zelle zwischen den Ableitern 9 geführt, wobei die Strichelung den verdeckten Teil der Signalleitung auf der Unterseite darstellt. Die Signalleitung 5 ist dabei mittels eines Klebers auf der Oberfläche fixiert. Die Signalleitung 5 kann dabei eine optische Signalleitung (Lichtwellenleiter) oder eine elektrische Signalleitung (z.B. isolierte Kupferleitung) sein. Die Festigkeit der Signalleitung 5 ist derart dimensioniert, dass die Signalleitung 5 bei einer vorgegebenen Volumenzunahme der Pouch-Zelle getrennt wird, d.h. reißt oder bricht. Das Steuergerät 4 koppelt ein Prüfsignal in ein Ende in die Signalleitung 5 ein und empfängt eine Signalantwort am anderen Ende der Signalleitung 5. Wird nun keine Signalantwort mehr empfangen, so muss die Signalleitung 5 unterbrochen sein. Dabei kann das Prüfsignal kontinuierlich in die Signalleitung 5 eingekoppelt werden. Vorzugsweise wird das Prüfsignal jedoch periodisch und/oder situativ eingekoppelt. Wird dann eine Unterbrechung der Signalleitung 5 festgestellt, so kann das Steuergerät 4 ein Warnsignal generieren und/oder die Batteriezelle 2 abtrennen.
In der 2 ist eine alternative Bauform der Pouch-Zelle dargestellt, wobei die beiden Ableiter 9 aus einander gegenüberliegenden Seiten herausgeführt sind, wobei die Signalleitung 5 radial um eine virtuelle Achse A zwischen den Ableitern 9 geführt ist. Ansonsten kann vollinhaltlich auf die Ausführungen zu 1 Bezug genommen werden.
In der 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die alleine oder in Kombination mit einer Ausführungsform gemäß 1 oder 2 zur Anwendung kommen kann. Dabei ist die Signalleitung 5 alternierend über die Ober- und Unterseite der Siegelnaht 7 geführt, um ein Öffnen der Siegelnaht 7 zu detektieren. Dabei kann der Verlauf der Signalleitung 5 wellen- oder zickzackförmig sein. Dabei sei angemerkt, dass es möglich ist, die Kombination mit einer Ausführungsform gemäß 1 oder 2 durch zwei getrennte Signalleitungen 5 oder durch eine einzige Signalleitung 5 zu realisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010012936 A1 [0003]

Claims

Batterieeinheit (1), die mindestens eine Batteriezelle (2) und eine Überwachungseinheit (3) der Batteriezelle (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (3) mindestens eine Signalleitung (5) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass diese bei einer Volumen- und/oder Druckerhöhung in der Batteriezelle (2) ihr Übertragungsverhalten ändert, wobei die Signalleitung (5) auf einer Oberfläche der Batteriezelle (2) angeordnet ist.
Batterieeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Batteriezelle (2) als Pouch-Zelle ausgebildet ist.
Batterieeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Batteriezelle (2) eine Li-Ionen-Batteriezelle ist.
Batterieeinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (5) als elektrische Signalleitung ausgebildet ist.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (5) auf der Oberfläche der Batteriezelle (2) fixiert ist.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Batteriezelle (2) einen den Batteriezelleninhalt begrenzenden Anteil (8) und eine Siegelnaht (7) aufweist, wobei mindestens eine Signalleitung (5) abwechselnd über eine Oberseite und eine Unterseite der Siegelnaht (7) geführt ist und/oder mindestens eine Signalleitung (5) über mindestens einen den Batteriezelleninhalt (8) begrenzenden Anteil geführt ist.
Batterieeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) zwei parallele Ableiter (9) aufweist, die aus einer gleichen Seite der Batteriezelle (2) herausgeführt sind, wobei die mindestens eine Signalleitung (5) zwischen den Ableitern (9) geführt ist.
Batterieeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) zwei einander gegenüberliegende Ableiter (9) aufweist, die aus verschiedenen Seiten der Batteriezelle (2) herausgeführt sind, wobei die mindestens eine Signalleitung (5) radial um eine virtuelle Achse (A) zwischen den Ableitern (9) um die Batteriezelle (2) geführt ist.
Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (1) mehrere Batteriezellen (2) aufweist, wobei jeder Batteriezelle (2) mindestens eine eigene Signalleitung (5) zugeordnet ist.
Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (1) mehrere Batteriezellen (2) aufweist, wobei mindestens eine Signalleitung (5) über mindestens zwei Batteriezellen (2) geführt ist.