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Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle, insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, mit einer Kathode und mit einer Anode, zwischen denen eine Separatormembran angeordnet ist, und mit zumindest einem elektrisch leitfähigen Stromableiter, der der Kathode oder der Anode zugeordnet ist, und mit einer Vorrichtung zum Überwachen der Funktionsfähigkeit der Energiespeicherzelle.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit zumindest einer derartigen Energiespeicherzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Energiespeicherzelle oder eines solchen Energiespeichers.
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Energiespeicherzellen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Lithium-Ionen-Zellen weisen während ihrer Lebensdauer diverse Alterungserscheinungen auf, welche durch Zyklisierung und/oder Ablagerung entstehen können. Typische Alterungsphänomene des Aktivmaterials von Lithium-Ionen-Zellen sind Deckschichtbildungen, Delaminationen und Lithium-Plaiting. Diese Alterungseffekte führen dazu, dass lokale Bereiche der jeweiligen Elektrode, also Anode oder Kathode, nicht mehr am Energieaustausch teilnehmen und dadurch die Kapazität der Energiespeicherzelle reduziert wird. Es kommt dabei zur sogenannten Hot-Spot-Bildung.
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Insbesondere Lithium-Ionen-Zellen finden vermehrt Anwendungen und wurden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Belastbarkeit auch im Kraftfahrzeugbau als Energieträger für Antriebsmotoren verwendet. Eine entsprechende Zelle weist dabei zwei Elektroden auf, wobei eine der Elektroden eine Kathode und die andere der Elektroden eine Anode bildet, wobei die Elektroden in einem Gefäß mit einem insbesondere flüssigen Elektrolyten liegen, durch welchen die Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind. Zwischen den Elektroden liegt in dem Elektrolyten eine Separatormembran, die gewährleistet, dass nur Lithium-Ionen frei durch den Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern. Um die Leistungsfähigkeit einer derartigen Energiespeicherzelle im laufenden Betrieb zu überwachen ist es bekannt, beispielsweise die Ausgangsspannung zu überwachen, um Fehler oder eine abnehmende Leistungsstärke zu erkennen. Entsprechende Vorrichtungen, insbesondere Schaltungen, gehören zum Stand der Technik.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2008 059 032 B4 ist außerdem bereits ein Verfahren bekannt, das zur Bestimmung davon dient, ob eine Veränderung eines Substrats in einem Testbereich unter einer das Substrat bedeckenden Schicht vorliegt, wobei in dem Testbereich an einer Stelle des Substrats auf oder beabstandet von der bedeckenden Schicht mit mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren eine kombinierte magnetische und/oder elektrische Messung vorgenommen wird. In Abhängigkeit des Ergebnisses der Messung wird auf eine Veränderung des Substrats erkannt. Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift
EP 1 580 563 B1 eine Vorrichtung zur potentialfreien Strommessung eines in einem axial langgestreckten elektrischen Leiter fließenden Leiterstroms bekannt, wobei ein aus einem magnetoresistiven Material gebildetes Sensorelement in Umfangsrichtung um den Leiter eine magnetisch geschlossene Schleife bildet und ein metallisches Material vom AMR-Typ aufweist. Hierdurch ist eine berührungsfreie Messung des fließenden Leiterstroms ermöglicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Alterungserscheinungen einer Energiespeicherzelle kostengünstig und zeitnah erfassen zu können, um rechtzeitig Maßnahmen einzuleiten, welche eine Reparatur ermöglichen oder eine weitere Alterung vermeiden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Energiespeicherzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese hat den Vorteil, dass durch einfach zu integrierende Mittel eine Überwachung der Energiespeicherzelle gewährleistet ist, die eine Lokalisierung von Alterungserscheinungen entlang eines Ableiters erlauben. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Überwachen der Energiespeicherzelle zumindest einen dem Ableiter zugeordneten und magnetfeldsensitiv ausgebildeten Sensor aufweist. Durch Erfassung des im Betrieb von dem Ableiter ausgehenden Magnetfelds entlang des Ableiters ist feststellbar, in welchen Stellen des Ableiters eine Alterung auftritt. Dort wird typischerweise eine reduzierte Stromleitung stattfinden und damit auch ein reduziertes Magnetfeld vorhanden sein. Somit ist beispielsweise durch einen einfachen Vergleich mit Erwartungswerten und/oder mit Werten benachbarter Sensoren ermittelbar, an welcher Stelle eine Alterungserscheinung aufgetreten ist. In Folge dessen wird bevorzugt die Betriebsstrategie der Energiespeicherzelle angepasst, um eine weitere Alterung, insbesondere in diesem Bereich, zu vermeiden. Optional wird versucht, die Alterungserscheinung zu beheben oder bei Bedarf, wenn die Energiespeicherzelle aufgrund der Alterung nicht mehr sicher verwendbar ist, deaktiviert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensor ein AMR-Sensor ist. Unter einem AMR-Sensor wird ein Sensor verstanden, der den anisotropen magnetoresistiven Effekt eines ferromagnetischen Materials ausnutzt. Mittels des AMR-Sensors, der ein Standardbauteil darstellt und dadurch kostengünstig erwerbbar und einfach in das System einer Energiespeicherzelle integrierbar ist, ist damit eine einfache Überwachung von Magnetfeldern eines Ableiters möglich. Bevorzugt ist der AMR-Sensor auf dem Ableiter angeordnet, um inhomogene Ströme und damit lokale Alterungen in dem Ableiter zu erfassen. Der AMR-Sensor hat dabei den Vorteil, dass nicht nur ein Betrag eines Magnetfelds, sondern auch dessen Richtung in Bezug auf den Sensor ermittelbar ist, wodurch eine noch besser aufgelöste Auswertung des Ergebnisses möglich ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor bevorzugt einen Permalloy-Streifen auf. Bei dem Permalloy-Streifen handelt es sich um einen Metallstreifen aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere einer weichmagnetischen Nickel-EisenLegierung mit hoher magnetischer Permeabilität. Dieses Material wird häufig zur Abschirmung niederfrequenter Magnetfelder und zur Herstellung ferromagnetischer Kerne verwendet und ist auch für die vorliegende Anwendung von Vorteil. Mittels des Permalloy-Streifens ist insbesondere auch eine Aussage über die Parallelität einer Magnetfeldausrichtung treffbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung mehrere Sensoren aufweist, die entlang einer Längserstreckung des Stromableiters verteilt angeordnet sind. Durch die mehreren Sensoren wird die Stromleitung des Ableiters beziehungsweise das erzeugte Magnetfeld entlang des Ableiters an mehreren Stellen erfasst und ausgewertet, um eine Alterungserscheinung präzise lokalisieren zu können.
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Bevorzugt sind dazu die Sensoren gleichmäßig verteilt entlang des Ableiters angeordnet. Dadurch ist eine einfache Lokalisierung und einer gegebenenfalls erfassten Alterung gewährleistet. Bevorzugt ist der jeweilige Sensor dazu ausgebildet, Betrag und Richtung eines Magnetfelds des Stromableiters zu erfassen. In Kenntnis von Betrag und Richtung ist die Alterung präzise erfassbar. Durch die berührungsfreie Erfassung der Alterung ist außerdem eine zerstörungsfreie Analyse der Alterungseffekte möglich.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweist, die in Abhängigkeit von durch den oder die Sensoren erfassten Magnetfelddaten eine Alterung der Energiespeicherzelle bestimmt. Die Auswerteeinrichtung weist dazu beispielsweise eine Auswerteschaltung und/oder einen Mikroprozessor auf, welchem die Ausgangssignale der Sensoren zugeführt werden, und welche die empfangenen Ausgangssignale auswertet, um die Alterung der Energiespeicherzelle zu bestimmen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit einer oder mehreren der erfindungsgemäßen Energiezellen. Der Energiespeicher hat den Vorteil, dass die Alterungserscheinungen der einzelnen Energiezellen sicher im laufenden Betrieb feststellbar sind. Vorteilhafterweise weist der Energiespeicher nur erfindungsgemäße Energiezellen auf.
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Alternativ weist der Energiespeicher bevorzugt zusätzlich zu einer oder mehreren der erfindungsgemäßen Energiezellen eine oder mehrere konventionelle Energiezellen ohne die zuvor beschriebene Sensortechnik auf. Hierdurch können Herstellungskosten des Energiespeichers geringgehalten werden und gleichzeitig eine Überwachung des Energiespeichers erfolgen. Auf Basis der Daten der zumindest einen erfindungsgemäßen Energiezelle wird dann beispielsweise auf den Zustand der übrigen Energiezellen geschlossen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist so zum Beispiel ein Energiespeicher bereitgestellt, der nur eine erfindungsgemäße Energiezelle und eine Vielzahl von konventionellen Energiezellen aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zum Betreiben der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle oder des erfindungsgemäßen Energiespeichers zeichnet sich durch folgende Schritte aus: Zunächst wird in einem Schritt a) ein von einem Ableiter der Zelle erzeugtes magnetisches Feld überwacht. In Abhängigkeit von dem überwachten und damit auch erfassten magnetischen Feld wird in einem darauffolgenden Schritt b) eine Alterung der Energiespeicherzelle bestimmt und insbesondere in der Energiespeicherzelle lokalisiert, wie zuvor beschrieben. Anschließend wird in Abhängigkeit der erfassten Alterung der Energiespeicherzelle in einem Schritt c) eine Betriebsstrategie zumindest für diese Energiespeicherzelle in Abhängigkeit der bestimmten Alterung ausgewählt, um eine weitere Alterung zu vermeiden oder, wenn möglich, einen Betrieb einzustellen, durch welchen die Alterung zumindest teilweise rückgängig gemacht wird. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 eine vereinfachte Darstellung einer Energiespeicherzelle,
- 2 eine vereinfachte Detailansicht der Energiespeicherzelle und
- 3 ein Verfahren zum Betreiben der Energiespeicherzelle.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Energiespeicherzelle 1, die als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet ist. Die Energiespeicherzelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem ein Elektrolyt, insbesondere ein flüssiger Elektrolyt 3, eingefüllt ist. Außerdem sind in der Energiespeicherzelle 1 zwei Elektroden 4 und 5 in dem Elektrolyten 3 angeordnet, wobei die Elektrode 4 eine Kathode und die Elektrode 5 eine Anode bildet. Zwischen den Elektroden 4 und 5 ist eine Separatormembran 6 angeordnet, die einen Lithium-Ionen-Transport durch die Membran 6 hindurch erlaubt.
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Die Energiespeicherzelle 1 ist demgemäß insoweit wie herkömmliche Energiespeicherzellen beziehungsweise Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut. Durch die von der einen zur anderen Elektrode 4, 5 wandernden Lithium-Ionen wird eine Spannung erzeugt, die durch Ableiter 7, 8, die mit den Elektroden 4, 5 jeweils verbunden sind, abgegriffen wird. Die Ableiter 7, 8 führen aus dem Gehäuse 2 beziehungsweise aus der Energiespeicherzelle 1 heraus zu beispielsweise einer Sammelschiene und/oder einer Schaltung, welche die gewonnene elektrische Energie verwertet und beispielsweise zum Antrieb einer Elektromaschine nutzt.
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Die Energiespeicherzelle 1 ist Teil eines hier nicht näher dargestellten Energiespeichers, der eine Vielzahl derartiger Energiespeicherzellen aufweist, deren Ableiter 7, 8 zu gemeinsamen Ableitern zusammengeführt und beispielsweise der zuvor genannten Schaltung zugeführt werden. Der Energiespeicher ist beispielsweise als elektrischer Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, welches die in dem Energiespeicher vorgehaltene elektrische Energie für die Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors nutzt. Gleichzeitig kann der Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie genutzt werden, wenn der Elektromotor beispielsweise generatorisch betrieben wird.
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2 zeigt eine Detailansicht der Energiespeicherzelle 1 aus 1, wobei hier in dem gewählten Ausschnitt die Elektrode 5 gezeigt ist, mit dem entlang der Elektrode 5 verlaufenden Ableiter 8, der direkt an der Elektrode 5 angebracht ist, sodass zwischen dem Ableiter 8 und Elektrode 5 ein elektrischer Kontakt besteht. Beispielsweise ist der Ableiter 8 auf die Elektrode 5 aufgeschweißt oder -geschmolzen oder einstückig mit ihr ausgebildet.
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Auf dem Ableiter 8 sind gleichmäßig verteilt mehrere Sensoren 10 angeordnet, die magnetfeldsensitiv ausgebildet sind. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 10 als AMR-Sensoren (AMR = Anisotroper Magnetoresitiver Effekt) ausgebildet. Die Sensoren 10 ermöglichen eine Messung der Magnetfeldstärke in Betrag und Richtung, also parallel oder senkrecht zum jeweiligen Sensor 10, durch die Änderung eines Widerstands. Die Sensoren 10 erfassen dabei das von dem Ableiter 8 erzeugte elektrische Feld im Betrieb der Energiespeicherzelle 1.
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Mit zunehmender Lebensdauer treten Alterungserscheinungen in Energiespeicherzellen auf. Derartige Alterungserscheinungen können insbesondere in der Anode 5 in Form von abgelagertem Lithium entstehen, wie in 2 beispielhaft gezeigt. Dabei sind im linken Bereich der Anode 5 Ablagerungen 11 gezeigt, die links besonders dicht und zur Mitte der in 2 gezeigten Anode hin weniger dicht auftreten.
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Dadurch verhält sich der Stromfluss durch den Ableiter 8 im Betrieb in Abhängigkeit von der Stelle der Alterungserscheinung unterschiedlich, wie durch Pfeile in 2 in dem Ableiter 8 gezeigt. So ist insbesondere ein Stromfluss in die Anode an der Stelle erschwert, an welcher die Alterungserscheinungen beziehungsweise vorliegend die Lithium-Partikel abgelagert sind. Dies ist in der 2 durch in diesem Bereich kleinere Pfeile gekennzeichnet.
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Durch den in diesem Bereich verringerten Stromfluss verändert sich auch das von dem Ableiter erzeugte magnetische Feld. Durch die Sensoren 10 wird eine derartige Veränderung in einfacher Art und Weise erfasst. Mittels der Sensoren 10 ist es somit möglich, entlang des Ableiters 8 Alterungserscheinungen nicht nur zu erfassen, sondern auch zu lokalisieren. Dadurch ist es möglich, gezielt Maßnahmen zu ergreifen, um beispielsweise eine weitere Alterung in dem Bereich zu vermeiden und/oder gezielt eine Alterungserscheinung zu beheben. Weisen die Sensoren 10 insbesondere Permalloy-Streifen auf, ist auch eine Aussage bezüglich der Richtung der Parallelität möglich. Durch die Sensoren 10 wird somit eine Magnetfeldverteilung entlang des Ableiters 8 erfasst und damit inhomogene Ströme in dem Ableiter 8 ermittelt zur Auffindung einer lokalen Alterungserscheinung.
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Durch die Messung den lokalen Strom durch die Verteilung mittels der magnetfeldsensitiven Sensoren 10 ist eine zerstörungsfreie Analyse der Alterungseffekte möglich, welche Betriebseigenschaft und Verspannungsvarianten der Energiespeicherzelle bestimmbar macht.
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3 zeigt zusammengefasst ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben der Energiespeicherzelle 1. Im Schritt S1 wird die Speicherzelle in Betrieb genommen. Im darauffolgenden Schritt S2 wird mittels der Sensoren 10 die Magnetfeldverteilung entlang des Ableiters 8 erfasst. In dem darauffolgenden Schritt S3 wird in Abhängigkeit von einer erfassten Magnetverteilung ermittelt, ob Alterungserscheinungen in der Anode beziehungsweise der Elektrode 5 vorliegen, und wenn welche aufgefunden werden, werden diese entlang des Ableiters 8 mittels der Sensoren 10 lokalisiert. Im darauffolgenden Schritt S4 werden Maßnahmen ergriffen, um entweder die betroffene Energiespeicherzelle außer Betrieb zu nehmen, oder beispielsweise weniger stark zu belasten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeicherzelle
- 2
- Gehäuse
- 3
- Elektrolyt
- 4
- Elektrode
- 5
- Elektrode
- 6
- Separatormembran
- 7
- Ableiter
- 8
- Ableiter
- 9
- Energiespeicher
- 10
- Sensor
- 11
- Ablagerungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059032 B4 [0005]
- EP 1580563 B1 [0005]
