DE102018109241A1 - Überwachen eines internen batteriezelldrucks - Google Patents

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Goran Keser
Christopher Römmelmayer
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Abstract

Techniken zum Überwachen eines internen Drucks einer Batteriezelle, wobei eine Membran, die Teil einer äußeren Hülle der Batteriezelle ist, als Element einer kapazitiv basierten oder induktiv basierten Sensorschaltungstechnik ist, um eine Änderung der Kapazität oder Induktivität bei Verformung der Membran von dem internen Druck der Batteriezelle zu messen. Die Änderung der Kapazität oder Induktivität kann wiederum verwendet werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle abzuleiten.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Batteriezellen und insbesondere die Überwachung eines internen Drucks von Batteriezellen.
  • Der interne Druck von z. B. Lithiumionen-Batteriezellen sollte zu jeder Zeit innerhalb sicherer Betriebsgrenzen gehalten werden, um gefährliche Situationen wie beispielsweise ein Feuer oder eine Explosion zu verhindern. Aufgrund der aggressiven Chemie innerhalb von Lithiumionen-Batteriezellen ist es jedoch nicht praktikabel, einen Drucküberwachungssensor innerhalb der Batteriezelle selbst zu implementieren. Deshalb kann der interne Druck derartiger Batteriezellen nicht direkt überwacht werden.
  • Die vorliegende Offenbarung ist auf Techniken zur Überwachung eines internen Drucks einer Batteriezelle gerichtet, wobei eine Membran, die Teil einer äußeren Hülle der Batteriezelle ist, als Element einer kapazitiv basierten oder induktiv basierten Sensorschaltungstechnik ist, um eine Änderung der Kapazität oder Induktivität, die aus der Verformung der Membran aufgrund des internen Drucks der Batteriezelle abgeleitet wird, zu messen. Die Änderung der Kapazität oder Induktivität wiederum kann verwendet werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle abzuleiten.
  • Als Beispielimplementierung kann eine Einrichtung eine Erfassungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, an eine Batteriezelle, die ein Gehäuse mit einer Öffnung und eine Membran, die verformbar und dazu ausgebildet ist, die Öffnung des Gehäuses der Batteriezelle hermetisch abzudichten, aufweist, montiert zu werden, enthalten oder aufweisen, wobei die Erfassungsanordnung weiterhin dazu ausgebildet ist, eine Verformung der Membran als Folge eines Drucks innerhalb des Gehäuses der Batteriezelle, der auf die Membran ausgeübt wird, zu erfassen, und wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, ein Signal, das auf den Druck in dem Gehäuse der Batteriezelle schließen lässt, an ein Batteriemanagementsystem auszugeben, wobei das Signal auf der Verformung der Membran basiert.
  • Als weitere Beispielimplementierung kann eine Batteriezellanordnung eine Batteriezelle, die ein Gehäuse mit einer Öffnung und eine Membran, die verformbar und dazu ausgebildet ist, die Öffnung des Gehäuses hermetisch abzudichten, aufweist, und eine Erfassungsanordnung, die in einem vorgegebenen Abstand von und benachbart zu der Membran des Gehäuses angeordnet ist, enthalten oder aufweisen, wobei die Erfassungsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Verformung der Membran als Folge eines Drucks innerhalb des Gehäuses, der auf die Membran ausgeübt wird, zu erfassen, und wobei die Batteriezellanordnung dazu ausgebildet ist, ein Signal, das auf den Druck innerhalb des Gehäuses der Batteriezelle schließen lässt, an ein Batteriemanagementsystem auszugeben, wobei das Signal auf der Verformung der Membran basiert.
  • Als weitere Beispielimplementierung kann ein Batteriemanagementsystem eine Empfangseinheit, die dazu ausgebildet ist, von einer Batteriezellanordnung ein Signal, das auf einen internen Druck einer Batteriezelle schließen lässt, zu empfangen, und eine Verarbeitungseinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Wert des internen Drucks der Batteriezelle basierend auf dem von der Batteriezellanordnung empfangenen Signal zu bestimmen und ein Befehlssignal, die Batteriezelle von einer Last abzukoppeln, zu erzeugen, wenn der Wert des internen Drucks der Batteriezelle größer oder gleich einem Schwellendruckwert ist, enthalten oder aufweisen.
  • Obgleich sie nicht hierauf beschränkt ist, kann ein Verständnis der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung aus der Erörterung der ausführlichen Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen geliefert wird, erlangt werden.
    • 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zu Überwachung eines internen Drucks einer Batteriezelle gemäß der Offenbarung.
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellanordnung von 1.
    • 3 zeigt einen Querschnitt einer Batteriezelle von 2 und die Verformung einer Membran der Batteriezelle über eine Anzahl verschiedener Werte des internen Zelldrucks.
    • 4 zeigt Beispieldiagramme der Verformung einer Ausgestaltung einer Membran gemäß 3 über die Anzahl verschiedener Wert des internen Zelldrucks.
    • 5 zeigt das System von 1, wobei ein Erfassungselement als Näherungssensor ausgebildet ist, gemäß einer Beispielimplementierung.
    • 6 zeigt einen Querschnitt des Systems von 5 bei einem ersten Beispiel-Detail.
    • 7 zeigt das System von 1, wobei ein Erfassungselement gemäß einer Beispielimplementierung Teil einer Oszillatorschaltung ist.
    • 8 zeigt einen Querschnitt des Systems von 5 bei einem zweiten Beispiel-Detail.
    • 9 zeigt einen Querschnitt des Systems von 5 bei einem dritten Beispiel-Detail.
    • 10 zeigt mehrere perspektivische Ansichten eines Substrats von 9.
    • 11 zeigt einen Querschnitt des Systems von 7 bei einem ersten Beispiel-Detail.
    • 12 zeigt mehrere perspektivische Ansichten eines Substrats von 11.
    • Die 13-16 zeigen gemeinschaftlich mehrere Ansichten eines Induktivitätselements und/oder von Spulen eines Induktivitätselements, das auf einem Halbleiter-Die oder -Chip integriert ist.
    • 17 zeigt ein Diagramm eines internen Zelldrucks, der auf eine Membran einer Batteriezellanordnung von 1 ausgeübt wird, über der Zeit.
  • Die vorliegende Offenbarung ist auf Techniken zum Überwachen eines internen Drucks einer Batteriezelle gerichtet, wobei eine Membran, die Teil einer äußeren Hülle der Batteriezelle ist, als Element einer kapazitiv basierten oder induktiv basierten Sensorschaltungstechnik verwendet wird, um eine Änderung einer Kapazität oder Induktivität, die aus der Verformung der Membran als Folge des internen Drucks der Batteriezelle abgeleitet wird, zu messen. Die Änderung der Kapazität oder Induktivität wiederum kann verwendet werden, um einen Wert für einen internen Druck der Batteriezelle abzuleiten. Eine derartige Implementierung ist in vielerlei Hinsicht vorteilhaft. Zum Beispiel befindet sich die Sensorschaltungstechnik, wie sie durchwegs vorgesehen ist, außerhalb der Batteriezelle und ist deshalb nicht den aggressiven Chemikalien im Inneren der Batteriezelle ausgesetzt. Als weiteres Beispiel kann, sobald eine mit der Sensorschaltung gekoppelte Überwachungselektronik einen Überdruck innerhalb der Batteriezelle detektiert, die (möglicherweise in ein Batteriemanagementsystem integrierte) Überwachungselektronik den Stromfluss durch die Batteriezelle durch Öffnen eines Hauptbatterieschalters unterbrechen und dadurch die Batteriezelle von einer Last abkoppeln. Von daher kann eine CID (Stromunterbrechungseinrichtung; engl.: „Current Interrupt Device“), die bei typischen oder herkömmlichen Implementierungen genutzt wird, entfernt oder weggelassen werden. Trotzdem ist die Erfindung der vorliegenden Offenbarung, was wichtig ist, nicht hierauf (Unterbrechungsschalter Stromfluss) beschränkt, da ein anderer Anwendungsfall darin bestünde, die Vorhersage des Befindens, wie unten erwähnt, zu verbessern. Noch ein anderer Anwendungsfall bestünde in der Drosselung (Verringerung) des Last- oder Ladestroms, um einen zusätzlichen Druckaufbau zu begrenzen und dadurch die Abkopplung der Batterie zu verhindern. Zusätzlich oder alternativ kann das Batteriemanagementsystem, da das Batteriemanagementsystem den Überdruck kennt, eine Aktion wie beispielsweise das Benachrichtigen eines Fahrers eines Fahrzeugs über den Überdruck auslösen. Weiterhin wird erwogen, dass der Sicherheitslevel der Batteriezelle aufgrund der verbesserten Diagnose oder Diagnosemöglichkeiten, die von den Eigenschaften oder Aspekten der vorliegenden Offenbarung herrühren, verbessert werden kann. Andere Vorteile ergeben sich aus den Techniken der vorliegenden Offenbarung wie in Verbindung mit den Zeichnungen erörtert.
  • Zum Beispiel zeigt 1 ein Blockdiagramm eines Systems 100 zum Überwachen eines internen Drucks einer Batteriezelle gemäß der Offenbarung. Bei diesem Beispiel weist das System 100 eine Batteriezellanordnung 102 (gleichbedeutend eine Einrichtung) und ein Batteriemanagementsystem 104 auf, und 2 zeigt eine ausführliche schematische Darstellung der Batteriezellanordnung 102 gemäß einem Beispiel-Detail. Lediglich optional enthält das System 100, wie durch eine unterbrochene Linie in 1 angedeutet, einen Schalter 106 und zumindest eine Last 108. In der Praxis ist eine Erfassungsanordnung 110 einer Batteriezellanordnung 102 dazu ausgebildet, an eine Batteriezelle 112 einer Batteriezellanordnung 102 zwischen entsprechenden Anschlüssen 114, 116 der Batteriezelle montiert zu werden (lediglich als Beispiel, das die Batteriezellanordnung 112 überall an der Außenseite der Batteriezelle 112 montiert werden könnte), wobei die Batteriezelle 112 ein Gehäuse 118 mit einer Öffnung 120 und einer Membran 122, die verformbar und dazu ausgebildet ist, die Öffnung 120 des Gehäuses 118 der Batteriezelle 112 hermetisch abzudichten, aufweist. Die Erfassungsanordnung 110 ist weiterhin dazu ausgebildet, eine Verformung oder Auslenkung der Membran 122 als Folge eines Drucks (interner Zelldruck) innerhalb des Gehäuses 118 der Batteriezelle 112, der auf die Membran 122 ausgeübt wird, zu erfassen, und die Batteriezellanordnung 102 ist dazu ausgebildet, ein Signal 124, das auf den Druck innerhalb des Gehäuses 118 der Batteriezelle 112 schließen lässt, an das Batteriemanagement 104 auszugeben, wobei das Signal 124 auf der Verformung der Membran 122 basiert.
  • Zusätzlich ist ein Erfassungselement 126 der Erfassungsanordnung 110 dazu ausgebildet, benachbart zu der Membran 122 des Gehäuses 118 der Batteriezelle 112 angeordnet zu werden, und eine Messeinheit 128 der Erfassungsanordnung 110 ist dazu ausgebildet, einen physikalischen Parameter des Erfassungselements 126, der von der Verformung der Membran 122 abhängt, für die Batteriezellanordnung 102 zu messen, um das Signal 124 auszugeben. Zusätzlich ist eine Empfangseinheit 130 des Batteriemanagementsystems 104 dazu ausgebildet, von der Batteriezellanordnung 102 das Signal 124, das auf einen internen Druck der Batteriezelle 112 schließen lässt, zu empfangen, und eine Verarbeitungseinheit 132 des Batteriemanagementsystems 104 ist dazu ausgebildet, einen Wert des internen Drucks der Batteriezelle 112 basierend auf dem Signal 124 zu bestimmen und ein Befehlssignal 134 zu erzeugen, um die Batteriezelle 112 durch Steuern des Zustands des Schalters 106 elektrisch von der Last 108 abzukoppeln, wenn der Wert des internen Drucks der Batteriezelle 112 größer oder gleich einem Schwellendruckwert ist. Auf diese Weise ist die vorliegende Offenbarung auf Techniken zum Überwachen eines internen Drucks einer Batteriezelle gerichtet, wobei eine Membran, die Teil einer äußeren Hülle der Batteriezelle ist, als Element einer kapazitiv basierten oder induktiv basierten Schaltungstechnik verwendet wird, um eine Änderung einer Kapazität oder Induktivität bei Verformung der Membran von dem internen Druck der Batteriezelle zu messen. Die Änderung der Kapazität oder Induktivität wiederum kann verwendet werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle abzuleiten.
  • Im Einzelnen ist das Erfassungselement 126 dazu ausgebildet, eine Verformung der Membran 122 als Folge eines Drucks innerhalb des Gehäuses 118 der Batteriezelle 112, der auf die Membran 122 ausgeübt wird, zu erfassen. Ein Beispiel der Verformung der Membran 122 ist in den 3-4 dargestellt. Insbesondere zeigt 3 einen Querschnitt der Batteriezelle 112 von 2 und die Verformung der Membran 122 der Batteriezelle 112 über eine Anzahl verschiedener Werte des internen Zelldrucks, und 4 zeigt Diagramme 402, 404 der Verformung der Membran 122 von 3 über die Anzahl verschiedener Werte des internen Zelldrucks. Bei diesem Beispiel entspricht die Abszisse des Diagramms 402 der Länge entlang der x-Achse der Membran 122, wie sie in 2 gezeigt ist, und die Abszisse des Diagramms 404 entspricht der Länge entlang der y-Achse der Membran 122, wie sie in 2 gezeigt ist. Unter Bezugnahme auf 4 allein steigt die Verformung D der Membran 122 im Allgemeinen mit ansteigendem internen Zelldruck P (D0, P0 < D1, P1 < D2, P3 < D3, P4), wie er in Bezug auf den Umgebungsdruck PUMGEBUNG gemessen wird, wobei die Verformung der Membran 122 bei einem internen Zelldruck von Null (0) vernachlässigbar ist, sofern nicht die Membran 122 eine plastische Verformung erfahren hat, was unten in Verbindung zumindest mit 17 erörtert wird. Da sich die Membran 122 unter einer Belastung von dem internen Zelldruck verformt oder ausgelenkt wird, wird erwogen, dass die Membran 122 als Element einer kapazitiv basierten oder induktiv basierten Sensorschaltungstechnik verwendet werden kann, um eine Änderung der Kapazität oder Induktivität bei einer Verformung der Membran 122 von dem internen Druck der Batteriezelle 112 zu messen. Die Änderung der Kapazität oder Induktivität wiederum kann verwendet werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle 112 abzuleiten. Das Arbeitsprinzip einer derartigen Sensorschaltungstechnik, wie es in Erwägung gezogen wird, wird in Verbindung zumindest mit den 5-7 erörtert.
  • Insbesondere zeigt 5 das System 100 von 1, wobei das Erfassungselement 126 (äquivalent die Batteriezellanordnung 102) gemäß einer Beispielimplementierung als Näherungsschalter ausgebildet ist. 6 zeigt einen Querschnitt des Systems von 5 gemäß einem ersten Detailbeispiel. Konkret ist das Erfassungselement 126 an einem Substrat 136 wie beispielsweise einer Oberseite des Substrats 136, einer Unterseite des Substrats 136 oder innerhalb oder im Inneren (eingebettet in) das Substrat 136, oder eine beliebigen Kombination hiervon, wie durch die unterbrochene Linie in 6 angedeutet, montiert. Bei diesem Beispiel wird erwogen, dass die Batteriezellanordnung 102 dazu ausgebildet ist, das Signal 124 auszugeben, wobei eine Auslenkung D der Membran 122 bei einer Belastung von dem internen Zelldruck in die Amplitude A des Signals 124 eincodiert ist (z. B. Amplitude A ≡ Verformung DMAX = DKALIBRIERUNG - DERFASSUNG, wie in 6 gezeigt). Es wird weiterhin erwogen, dass das Batteriemanagementsystem 104 dazu ausgebildet ist, das Signal 124 zu empfangen und die Amplitude A des Signals 124 (z. B. basierend auf einem Nachschlagen in einer Tabelle oder einem anderen Implementierungsalgorithmus) mit einem bestimmten internen Zelldruck P zu korrelieren, so dass das Batteriemanagementsystems 104 in der Praxis ein Befehlssignal 134 erzeugen kann, um die Batteriezelle 112 durch Steuern des Zustands des Schalters 106 elektrisch von der Last 108 (lediglich als Beispiel) abzukoppeln, wenn der Wert des internen Drucks der Batteriezelle 112 größer oder gleich einem Schwellendruckwert ist (siehe 1). Zum Beispiel kann das Batteriemanagementsystem 104 bei Belastungszuständen, bei denen der interne Zelldruck P so bestimmt wird, dass er größer oder gleich dem Druck P3 (4,9 Bar), wie in 4 gezeigt, ist, ein Befehlssignal 134 erzeugen, um die Batteriezelle 112 elektrisch von der Last 108 abzukoppeln. Unter Bezugnahme auf 5 allein kann die Batteriezellanordnung 102 als kapazitiver Näherungsschalter oder als induktiver Näherungsschalter ausgebildet sein, wobei in 5 die Amplitude A des Signals 124 als Funktion der Verformung D (DMAX) über einen elastischen Verformungsbereich der Membran 122 für Implementierungen sowohl mit einem kapazitiven Näherungssensor als auch einem induktiven Näherungssensor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Entwicklungstendenz für die Amplitude A, wie in 5 für die Beispiele sowohl des kapazitiven Näherungssensors als auch des induktiven Näherungssensors dargestellt, implementierungsspezifisch sein kann und im Allgemeinen eine gewünschte Gestalt oder Form annehmen kann, vorausgesetzt, dass die Amplitude A innerhalb der Spezifikationstoleranz eindeutig mit einem bestimmten internen Zelldruck korreliert werden kann. Der elastische Verformungsbereich 122 wird unten in Verbindung zumindest mit 17 erörtert.
  • Im Gegensatz dazu zeigt 7 das System 100 von 1, wobei das Erfassungselement 126 (gleichbedeutend die Batteriezellanordnung 102) gemäß einer Beispielimplementierung als Erfassungselement als Teil einer Oszillatorschaltung (gleichbedeutend als Resonanzsensor) ausgebildet ist. Bei diesem Beispiel wird in Erwägung gezogen, dass die Batteriezellanordnung dazu ausgebildet ist, das Signal 124 auszugeben, wobei die Verformung D der Membran 122 unter Belastung von dem internen Zelldruck in eine Frequenz F des Signals 124 eincodiert ist (z. B. Frequenz F ≡ Verformung DMAX - ΔD, wobei ΔD ein Fehler-Offset ist und eine Funktion von DCALIBRATION ist, wie in 6 gezeigt), und ein Wert für die Frequenz F (z. B. F = 1 kHz) des Signals 124 auf dem Ausmaß der Kopplung des elektrischen oder magnetischen Felds zwischen dem Erfassungselement 126 und der Membran 122 basiert. Es wird weiterhin erwogen, dass das Batteriemanagementsystem 104 dazu ausgebildet ist, das Signal 124 zu empfangen und die Frequenz F des Signals 124 (z. B. basierend auf einem Tabellennachschlagen oder einem anderen implementierungsspezifischen Algorithmus) mit einem bestimmten internen Zelldruck P zu korrelieren, so dass das Batteriemanagementsystem 104 in der Praxis ein Befehlssignal 134 erzeugen kann, um die Batteriezelle 112 durch Steuern des Zustands des Schalters 106 elektrisch von der Last 108 (lediglich als Beispiel) abzukoppeln, wenn der Wert des internen Drucks der Batteriezelle 112 größer oder gleich einem Schwellendruckwert ist.
  • Im Allgemeinen kann die Batteriezellanordnung 102 als kapazitives Erfassungselement als Teil einer Oszillatorschaltung oder als induktives Erfassungselement als Teil einer Oszillatorschaltung ausgebildet sein, wobei eine Frequenz F des Signals 124 als Funktion der Verformung D (DMAX) der Membran 122 über einen elastischen Verformungsbereich der Membran 122 in 7 für eine Implementierung sowohl eines kapazitiven Erfassungselements als Teil einer Oszillatorschaltung als auch als induktives Erfassungselement als Teil einer Oszillatorschaltung dargestellt ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Entwicklungstendenz für die Frequenz F, wie in 7 für die Beispiele sowohl des kapazitiven Erfassungselements als Teil einer Oszillatorschaltung als auch des induktiven Erfassungselements als Teil einer Oszillatorschaltung gezeigt, implementierungsspezifisch sein kann und im Allgemeinen eine beliebige gewünschte Gestalt oder Form annehmen kann, vorausgesetzt, dass die Frequenz F innerhalb der Spezifizierungstoleranz eindeutig mit einem bestimmten internen Zelldruck korreliert werden kann. Beispielarchitekturen oder -topologien für die Sensorschaltungstechnik, wie sie in Verbindung mit zumindest den 5-7 erörtert werden, sind weiterhin in den 8-16 dargestellt.
  • Zum Beispiel zeigt 8 einen Querschnitt des Systems von 5 gemäß einem zweiten Beispiel-Detail. Bei diesem Beispiel wird in Erwägung gezogen, dass mehrere Lamellen 806a-c (drei wie in 8 dargestellt, obwohl andere Beispiele möglich sind) an der Membran 122 bzw. an dem Substrat 136 montiert sein können, wobei die Lamellen 806a-c (z. B. aus einem von Gummi und Keramik hergestellt) in Bezug aufeinander auf eine verschachtelte Weise angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, als Folge eines Drucks innerhalb des Gehäuses 118 der Batteriezelle 112, der auf die Membran 112 des Gehäuses 118 der Batteriezelle 112 ausgeübt wird (siehe 2), ineinander zu gleiten. In der Praxis ist das Ausmaß einer Überlappung 808 (siehe 8) zwischen entsprechenden Lamellen 806a-c proportional zu einer erzielten oder effektiven Permittivität des Mediums zwischen den Lamellen 806a und 806b, welche Platten eines Kondensators 804 bilden. Zum Beispiel ist die effektive Permittivität für einen ersten Überlappungsabstand O1 größer als die effektive Permittivität für einen zweiten Überlappungsabstand O2, wenn der erste Überlappungsabstand O1 größer als der zweite Überlappungsabstand O2 (siehe den Überlappungsabstand O in 8) ist.
  • Bei diesem Beispiel ist die Kapazität zwischen den Lamellen 806a und 806b, welche Platten eines Kondensators 804 bilden, durch Ausdehnung für den ersten Überlappungsabstand O1 größer als eine Kapazität zwischen den Lamellen 806a und 806b für den zweiten Überlappungsabstand O2 gemäß dem Zusammenhang C=εA/d. In 8 werden die Platten des Kondensators 804 durch „obere“ Lamellen 806a und 806b gebildet. Bei der „unteren“ Lamelle 806c handelt es sich nicht um eine Kondensatorplatte, sondern um ein dielektrisches Material, das durch die Verformung der Membran 122 zwischen die „oberen“ Lamellen 806a und 806b geschoben wird, was wiederum die Kapazität zwischen den Lamellen 806a und 806b durch Ändern der Permeabilität des Materials zwischen den Lamellen 806a und 806b ändert. Andere Beispielarchitekturen oder -topologien für die Sensorschaltungstechnik, wie sie in Verbindung mit zumindest den 5-7 erörtert werden, werden in Erwägung gezogen.
  • Zum Beispiel zeigt 9 einen Querschnitt des Systems von 5 gemäß einem dritten Beispiel-Detail. 10 zeigt mehrere perspektivische Ansichten des Substrats (PCB) 136 von 9. Genauer wird eine metallische (z. B. Aluminium) Membran 122, die Teil einer äußeren Hülle 118 der Batteriezelle 112 (siehe 2) ist, als Element einer kapazitiv basierten Sensorschaltungstechnik verwendet, um eine Änderung der Kapazität bei Verformung der Membran 122 aufgrund des internen Drucks der Batteriezelle 112 zu messen. Die Änderung der Kapazität wiederum kann verwendet werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle 112 abzuleiten. Bei diesem Beispiel definieren eine ringförmige Elektrodenoberfläche 902, die auf dem Substrat 136 ausgebildet (oder in dieses eingebettet oder eine beliebige Kombination hiervon) ist, eine scheibenförmige Elektrodenoberfläche 904, die auf dem Substrat 136 gebildet ist, und eine Membran 122 zusammen erste, zweite und dritte Elektroden eines Kondensatorelements 906, wobei ein elektrischer Kontakt mit der ringförmigen Elektrodenoberfläche 902 und der scheibenförmigen Elektrodenoberfläche 904 bei einem Beispiel durch (über) dielektrische Oberflächenschichten 1002 bzw. 1004, wie in 10 dargestellt, gebildet wird. Andere Beispiele sind möglich.
  • In der Praxis wird eine Änderung des Abstands zwischen entsprechenden Elektrodenoberflächen 902, 904 und der Membran 122 aufgrund einer Verformung der Membran 122 bei einer Belastung von dem internen Zelldruck der Batteriezelle 112 in eine Änderung der Kapazität gemäß dem Zusammenhang C = εA/d, welcher bei der Beispielimplementierung genähert ist, umgesetzt. Dies ist der Fall, weil die Pole des Kondensatorelements 906 unter Verwendung der Membran 122 als gemeinsamer (interner) Platte auf einer Seite des Substrats 136 positioniert sind, was als Serienschaltung von zwei Kondensatoren, die durch die Elektrodenoberflächen 902, 904 und die Membran 122 gebildet werden, angesehen werden kann. Nichtsdestotrotz kann die Änderung der Kapazität wiederum durch einen beliebigen von dem kapazitiven Näherungsschalter bzw. dem kapazitiven Erfassungselement als Teil einer Oszillatorschaltung, wie oben in Verbindung mit den 5-7 erörtert, genutzt werden, um gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle 112 abzuleiten. Andere Beispielarchitekturen oder -topologien für die Sensorschaltungstechnik, wie sie in Verbindung mit zumindest den 5-7 erörtert werden, werden in Erwägung gezogen.
  • Zum Beispiel zeigt 11 einen Querschnitt des Systems von 7 gemäß einem ersten Beispiel-Detail. 12 zeigt mehrere perspektivische Ansichten eines Substrats (PCB) von 11. Im Einzelnen wird die Membran 122, die Teil einer äußeren Hülle (Gehäuse) 118 der Batteriezelle 112 ist, als Element einer induktiv basierten Sensorschaltungstechnik verwendet, um eine Änderung der Induktivität bei einer Verformung der Membran 122 von dem internen Druck der Batteriezelle 112 zu messen. Die Änderung der Kapazität wiederum kann verwendet werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle 112 abzuleiten. Bei diesem Beispiel ist das Induktivitätselement 1102 auf einem Substrat 136 ausgebildet (oder darin eingebettet, oder eine beliebige Kombination hiervon), wobei der elektrische Kontakt mit dem Induktivitätselement 1102 bei einem Beispiel durch (über) eine dielektrische Oberflächenschicht 1202, wie in 12 dargestellt, gebildet wird, und ein Induktivitätselement 1102 kann im Allgemeinen einer beliebigen von einer gedruckten (planaren) Induktivität, einer diskreten (nicht-planaren) Induktivität und einer Induktivität, die in eine integrierte Schaltung oder einen Halbleiter-Die oder -Chip 1104 integriert ist, entsprechen. Zum Beispiel zeigen die 13-16 gemeinschaftlich mehrere Ansichten eines Induktivitätselements 1102 und/oder von Spulen des Induktivitätselements 1102, das auf einem Halbleiter-Die oder -Chip 1104 integriert ist. Daher kann, wie ein Fachmann auf dem Fachgebiet versteht, das Induktivitätselement 1102, wie in Verbindung mit den 11-16 gezeigt und beschrieben, einer beliebigen von einer gedruckten (planaren) Induktivität, einer diskreten (nicht-planaren) Induktivität und einer Induktivität, die in eine integrierte Schaltung oder einen Halbleiter-Die oder -Chip 1104 integriert ist, entsprechen.
  • Unter Bezugnahme auf die 11-16 wird in der Praxis eine Änderung des Abstands zwischen dem Induktivitätselement 1102 und der Membran 122 aufgrund einer Verformung der Membran 122 bei einer Belastung von einem internen Zelldruck der Batteriezelle 112 gemäß dem Zusammenhang L = NΦ/I in eine Änderung der Induktivität umgesetzt, wobei N die Anzahl von Windungen einer Spule des Induktivitätselements 1102 ist, Φ die magnetische Flussverkettung (engl.: „flux linkage“), die eine Funktion des Abstands zwischen dem Induktivitätselement 1102 der Membran 122 ist, und I eine Stärke des durch das Induktivitätselement 1102 fließenden Stroms in Ampere bei einem Bias ist. Diese Änderung der Induktivität wiederum kann durch einen beliebigen von einem induktiven Näherungssensor bzw. einem induktiven Erfassungselement als Teil einer Oszillatorschaltung, wie oben in Verbindung mit den 5-7 erörtert, genutzt werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle 112 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung abzuleiten.
  • Wie oben erwähnt wird der elastische Verformungsbereich der Membran 122 (der 1-16) in Verbindung mit zumindest 17 erörtert. Im Einzelnen zeigt 17 ein Diagramm 1702 des auf die Membran 122 der Batteriezellanordnung 102 von 1 ausgeübten internen Zelldrucks über der Zeit gemäß einem Beispiel. Bei diesem Beispiel ist die Ordinatenachse in eine Instabilitätszone 1704, eine Zone 1706 plastischer Verformung und eine Zone 1708 elastischer Verformung aufgeteilt. Bei normalen Bedingungen ist der auf die Membran 122 ausgeübte interne Zelldruck aus Sicht der Batteriezelle dergestalt, dass die Membran 122 eine elastische Verformung erfährt. Das heißt, die strukturelle Integrität der Membran 122 wird nicht beeinträchtigt, solange der auf die Membran 122 ausgeübte interne Zelldruck innerhalb der Zone 1708 elastischer Verformung gehalten wird. Abhängig davon, wie lange (zeitlich) derartige Drücke aufrecht erhalten werden, kann oder könnte die strukturelle Integrität der Membran 122 beeinträchtigt werden, wenn sich der auf die Membran 122 ausgeübte interne Zelldruck innerhalb der Zone 1406 plastischer Verformung befindet. Wenn die strukturelle Integrität der Membran 122 beeinträchtigt wird, kann es sein, dass sich die Membran 122 nicht auf einen einheitlichen anfänglichen Zustand relaxiert. Dies kann zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Auslenkung D der Membran 122 und, durch Ausdehnung, zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des internen Zelldrucks P der Batteriezelle 112 auf eine Weise, wie sie durchwegs in Betracht gezogen wird, führen. Um ein derartiges Problem zu behandeln, kann ein Kalibrierverfahren durch die Batteriezellanordnung 102 implementiert werden, um einen Parameter DCALIBRATION (siehe 6) zu bestimmen, um diesem Fehler-Offset Rechnung zu tragen, so dass die tatsächliche Verformung der Membran 122 abgeleitet oder bestimmt werden kann. Schließlich kann die strukturelle Integrität der Membran 122 dauerhaft zerstört werden, wenn der auf die Membran 122 ausgeübte interne Zelldruck die Instabilitätszone 1704 erreicht. In der Praxis wird in Erwägung gezogen, dass eine Systemauslesung einer diagnose- und/oder anwenderschnittstellenbezogenen Schaltungstechnik eine Echtzeitanzeige über den Zustand der Membran 122 (Instabilitätszone 1704, Zone 1706 plastischer Verformung, Zone 1708 elastischer Verformung) liefern kann.
  • Unter Bezugnahme auf die in Verbindung mit den 1-17 gelieferte Erörterung ist es so, dass die vorliegende Offenbarung auf Techniken zum Überwachen des internen Drucks einer Batteriezelle gerichtet ist, wobei eine Membran, die Teil einer äußeren Hülle der Batteriezelle ist, als Element einer kapazitiv basierten oder induktiv basierten Sensorschaltungstechnik ist, um eine Änderung der Kapazität oder Induktivität bei Verformung der Membran von dem internen Druck der Batteriezelle zu messen. Die Änderung der Kapazität oder Induktivität kann verwendet werden, um einen Wert für den internen Druck der Batteriezelle abzuleiten, und es wird erkannt werden, dass die Topologie der kapazitiv basierten oder induktiv basierten Sensorschaltungstechnik implementierungsspezifisch sein kann. Zum Beispiel kann die kapazitiv basierte Sensorschaltungstechnik oder die induktiv basierte Sensorschaltungstechnik einem RC- bzw. einem RL-Oszillator entsprechen, wobei die Frequenz des Oszillators dann durch einen Mikrocontroller gemessen wird. Andere Lösungen wie beispielsweise ein Wien-Robinson-Oszillator oder eine Konstantstromquelle zum Laden eines Kondensators zum Überwachen der Änderung der Kondensatorspannung über der Zeit können für kapazitiv basierte Sensorschaltungstechnikimplementierungen genutzt werden.
  • Für induktiv basierte Sensorschaltungstechnikimplementierungen besteht eine grundsätzliche Möglichkeit, eine Änderung des magnetischen Flusses einer Umgebung zu detektieren, darin, einen Oszillator, der eine nahe der zu überwachenden Komponente befindliche Spule enthält, zu erzeugen. Wenn sich die Komponente bewegt oder verformt, wird, ändert sich die resultierende Oszillatorfrequenz entsprechend. Um eine hohe Auflösung und Rauschimmunität (gegenüber der Umgebung) zu erzielen, kann ein Mittelwertbildungsfilter verwendet werden. Ein Mittelwertbildungsfilter kann durch einen Zähler, der die Anzahl von Oszillatorperioden während eines bestimmten Zeitfensters zählt, gebildet werden. Das Ergebnis des Zählers am Ende des Zählfensters kann den Abstand oder die Gestalt der zu überwachenden Komponente bezüglich der Spule anzeigen. Wenn es in dem Umgebungsrauschen bestimmte bekannte Frequenzbestandteile gibt (z. B. aufgrund des Schaltbetriebs eines Leistungsinverters), kann die Fensterlänge des Mittelwertbildungsfilters so angepasst werden, dass sie während des Zeitfensters immer eine ähnliche Länge von Schaltereignissen enthält (Synchronisation von Zählfenster und Leistungsinverter). Die Spule selbst kann auf viele verschiedene Weisen aufgebaut sein. Eine „echte“ Spule mit einigen Windungen als unabhängige Komponente kann teurer sein als eine gedruckte Version auf einer PCB. Die gedruckte Version kann eine geringere Induktivität aufweisen. Falls eine gedruckte Version verwendet wird, kann die PCB ein Erfassungselement, das den Rest des Oszillators und einige Messeinheiten wie beispielsweise zum Zählen der Oszillatorperioden oder eine unabhängige Zeitbasis als Frequenzreferenz, enthält, tragen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Spule, die in/auf einem integrierten Schaltungschip selbst, zusammen mit anderen Bausteinblöcken des Erfassungselements, zu verwenden. Ebenso können der gesamte Oszillator und die Messblöcke in eine einzige Einrichtung implementiert werden. Mit dem induktiven Ansatz kann die Packung des Erfassungselements vollständig geschlossen sein, und es werden weitere geometrische Elemente nicht notwendigerweise benötigt. Zum Beispiel gibt es Spulen, die bereits monolithisch integriert sind, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen oder um eine galvanische Isolierung bei Gatetreibern für Leistungsschalter zu erzielen.

Claims (17)

  1. Einrichtung, die aufweist: eine Erfassungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, an einer Batteriezelle, die ein Gehäuse mit einer Öffnung und einer Membran, die verformbar und dazu ausgebildet ist, die Öffnung des Gehäuses der Batteriezelle hermetisch abzudichten, aufweist, montiert zu werden, wobei die Erfassungsanordnung weiterhin dazu ausgebildet ist, eine Verformung der Membran als Folge eines Drucks in dem Gehäuse der Batteriezelle, der auf die Membran ausgeübt wird, zu erfassen, und wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, ein Signal, das auf den Druck in dem Gehäuse der Batteriezelle schließen lässt, an ein Batteriemanagementsystem auszugeben, wobei das Signal auf der Verformung der Membran basiert.
  2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Erfassungsanordnung aufweist: ein Erfassungselement, das dazu ausgebildet ist, benachbart zu der Membran des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet zu werden, und eine Messeinheit, die dazu ausgebildet ist, einen physikalischen Parameter des Erfassungselements, der von der Verformung der Membran abhängt, zu messen.
  3. Einrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Messeinheit weiterhin dazu ausgebildet ist: den physikalischen Parameter des Erfassungselements in eine Zeitinformation zu wandeln, die Zeitinformation mit einer Bezugs-Zeitinformation zu vergleichen, und eine Information über die Verformung der Membran basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs zu bestimmen.
  4. Einrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, die weiterhin eine Leiterplatte (engl.: „printed circuit board“) aufweist, die dazu ausgebildet ist, in einem vorgegebenen Abstand von und benachbart zu der Membran des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet zu werden, wobei das Erfassungselement ein erstes kapazitives Element mit einer ersten Elektrodenoberfläche und einer zweiten Elektrodenoberfläche aufweist, wobei die erste Elektrodenoberfläche auf der Leiterplatte und die zweite Elektrodenoberfläche, wenn die Erfassungseinrichtung an der Batteriezelle montiert ist, durch die Membran des Gehäuses der Batteriezelle gebildet werden.
  5. Einrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Erfassungselement weiterhin ein zweites kapazitives Element, das mit dem ersten kapazitiven Element in Reihe geschaltet ist und eine Elektrodenoberfläche aufweist, aufweist, wobei die Elektrodenoberfläche des zweiten kapazitiven Elements auf der Leiterplatte ausgebildet und gegenüber der ersten Elektrodenoberfläche des kapazitiven Elements elektrisch isoliert ist, wobei die Elektrodenoberfläche des zweiten kapazitiven Elements und die zweite Elektrodenoberfläche des ersten kapazitiven Elements, wenn die Erfassungsanordnung an der Batteriezelle montiert ist, Elektroden des zweiten kapazitiven Elements bilden.
  6. Einrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die erste Elektrodenoberfläche des ersten kapazitiven Elements als scheibenförmige Struktur auf der Leiterplatte gebildet ist und die Elektrodenoberfläche des zweiten kapazitiven Elements als ringförmige Struktur, die die scheibenförmige Struktur umgibt, auf der Leiterplatte gebildet ist, wobei die scheibenförmige Struktur und die Membran des Gehäuses der Batteriezelle die Elektroden des ersten kapazitiven Elements bilden und die ringförmige Struktur und die Membran des Gehäuses der Batteriezelle die Elektroden des zweiten kapazitiven Elements bilden, wenn die Erfassungsanordnung an der Batteriezelle Cmontiert ist.
  7. Einrichtung gemäß Anspruch 4, wobei ein erster Satz von Lamellen auf der ersten Elektrodenoberfläche des ersten kapazitiven Elements bezüglich eines zweiten Satzes von Lamellen, die auf der zweiten Elektrodenoberfläche des ersten kapazitiven Elements angeordnet sind, wenn die Erfassungsanordnung auf der Batteriezelle montiert ist, auf eine verschachtelte Weise angeordnet sind, wobei der erste Satz von Lamellen und der zweite Satz von Lamellen dazu ausgebildet sind, als Folge davon, dass der Druck in dem Gehäuse der Batteriezelle auf die Membran des Gehäuses der Batteriezelle ausgeübt wird, ineinander zu gleiten.
  8. Einrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der erste Satz von Lamellen und der zweite Satz von Lamellen aus einem von Gummi und Keramik gemacht sind.
  9. Einrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, die weiterhin eine Leiterplatte, die dazu ausgebildet ist, in einem vorgegebenen Abstand von und benachbart zu der Membran des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet zu werden, aufweist, wobei das Erfassungselement ein induktives Element, das auf der Leiterplatte angeordnet ist, aufweist, wobei die Messeinheit dazu ausgebildet ist, wenn die Erfassungsanordnung an der Batteriezelle montiert ist, eine Änderung der magnetischen Permeabilität als Folge davon, dass der Druck in dem Gehäuse der Batteriezelle auf die Membran des Gehäuses der Batteriezelle ausgeübt wird, zu messen.
  10. Einrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das induktive Element ein diskretes Induktivitätselement oder ein planares Induktivitätselement, das auf die Leiterplatte gedruckt ist, aufweist.
  11. Batteriezellanordnung, die aufweist: eine Batteriezelle, die ein Gehäuse mit einer Öffnung und einer Membran, die verformbar und dazu ausgebildet ist, die Öffnung des Gehäuses hermetisch abzudichten, aufweist, und eine Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Erfassungsanordnung in einem vorgegebenen Abstand von und benachbart zu der Membran des Gehäuses angeordnet ist.
  12. Batteriezellanordnung gemäß Anspruch 11, wobei die Membran des Gehäuses eine Druckablassmembran, die dazu ausgebildet ist, einen Überdruck innerhalb der Batteriezelle durch die Öffnung des Gehäuses abzulassen, ist.
  13. Batteriezellanordnung gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Membran des Gehäuses ein Metallelement aufweist.
  14. Batteriezellanordnung gemäß Anspruch 13, wobei das Metallelement Aluminium aufweist.
  15. Batteriezellanordnung gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Membran des Gehäuses ein ferromagnetisches Element aufweist.
  16. Batteriezellanordnung gemäß Anspruch 15, wobei das ferromagnetische Element Ferrit aufweist.
  17. Batteriemanagementsystem, das aufweist: eine Empfangseinheit, die dazu ausgebildet ist, von einer Batteriezellanordnung ein Signal, das auf einen internen Druck einer Batteriezelle schließen lässt, zu empfangen, und eine Verarbeitungseinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Wert des internen Drucks der Batteriezelle basierend auf dem von der Batteriezellanordnung empfangenen Signal zu bestimmen und ein Befehlssignal, die Batteriezelle elektrisch von einer Last abzukoppeln, zu erzeugen, wenn der Wert des internen Drucks der Batteriezelle größer oder gleich einem Schwellendruckwert ist.
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