DE102018126573A1

DE102018126573A1 - Erfassungsvorrichtung zur Innendruckänderungserfassung einer prismatischen Batteriezelle sowie Messaufbau

Info

Publication number: DE102018126573A1
Application number: DE102018126573.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erfassungsvorrichtung (3) zur Erfassung einer Innendruckänderung (Δp) in einem Zellgehäuse (5) einer prismatischen Batteriezelle (2) für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit einer Druckkammer (9), welche von außerhalb des Zellgehäuses (5) gasdicht auf eine Berstmembran (8) des Zellgehäuses (5) aufsetzbar ist und einen Druckanschluss (12) zum Einstellen eines, als ein Außendruck (p) auf die Berstmembran (8) wirkenden Kammerdrucks in der Druckkammer (9) aufweist, mit einer Sensoreinrichtung (13), welche dazu ausgelegt ist, eine aus der Innendruckänderung (Δp) resultierende Auslenkungsänderung (Δd) der Berstmembran (8) zu erfassen, und mit einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der Auslenkungsänderung (Δd) und dem in der Druckkammer (9) eingestellten Außendruck (p) auf die Berstmembran (8) die Innendruckänderung (Δp) in dem Zellgehäuse (5) zu bestimmen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Messaufbau (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung einer Innendruckänderung in einem Zellgehäuse einer prismatischen Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem einen Messaufbau mit einer Batteriezelle und einer Erfassungsvorrichtung.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Batteriezellen für Hochvoltbatterien bzw. Hochvoltenergiespeicher elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge. Die Batteriezellen können beispielsweise prismatische Li-lonen-Batteriezellen sein, welche üblicherweise ein flachquaderförmiges, metallisches Zellgehäuse aufweisen. In eine der Gehäusewände kann ein Entgasungselement, beispielsweise eine Berstmembran integriert sein, welche unter Normalbedingungen das Zellgehäuse gasdicht verschließt und welche unter missbräuchlichen Bedingungen, beispielsweise bei Übertemperatur, bei Überladen oder bei Überstrom, durch Bersten ein in dem Zellgehäuse entstehenden Heißgases aus dem Zellgehäuse heraustransportiert. Auch kann es über eine Lebensdauer der Batteriezelle zu einem Innendruckanstieg in dem Zellgehäuse kommen, durch welchen die Berstmembran ebenfalls berstet, falls der Innendruck einen Berstdruck bzw. Auslösedruck der Berstmembran erreicht. Dies führt zu einer defekten Batteriezelle.
Um eine optimale Betriebsstrategie für die Batteriezellen festlegen zu können, durch welche ein vorzeitiger Ausfall bzw. Defekt der Batteriezelle vermieden werden kann, ist es dabei wünschenswert, eine Innendruckänderung in dem Zellgehäuse der Batteriezellen erfassen zu können. Dazu ist beispielsweise aus der DE 10 2013 216 076 A1 eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse bekannt, wobei wenigstens ein Teil des Zellgehäuses, beispielsweise ein Berstelement, dazu ausgebildet ist, sich bei einem Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses zu verformen, und wobei die Batteriezelle eine Detektionseinrichtung, beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen, zur Erfassung der Verformung des wenigstens einen Teils des Zellgehäuses umfasst. Eine solche in die Batteriezelle integrierte Detektionseinrichtung zur Messung des Zellinnendrucks muss üblicherweise kalibriert sein. Es ist jedoch wünschenswert, die Innendruckänderung auch bei Batteriezellen ohne integrierte Detektionseinrichtung, insbesondere während einer Absicherung der Batteriezellen vor deren Einsatz im Kraftfahrzeug, erfassen zu können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Innendruckänderung in einem Zellgehäuse einer Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs vor dem Einsatz der Batteriezelle in dem Kraftfahrzeug besonders zuverlässig erfasst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Erfassungsvorrichtung sowie einen Messaufbau mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung dient zur Erfassung einer Innendruckänderung in einem Zellgehäuse einer prismatischen Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs. Die Erfassungsvorrichtung weist eine Druckkammer auf, welche von außerhalb des Zellgehäuses gasdicht auf eine Berstmembran des Zellgehäuses aufsetzbar ist und welche einen Druckanschluss zum Einstellen eines, als ein Außendruck auf die Berstmembran wirkenden Kammerdrucks in der Druckkammer aufweist. Die Erfassungsvorrichtung umfasst außerdem eine Sensoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine aus der Innendruckänderung resultierende Auslenkungsänderung der Berstmembran zu erfassen, und eine Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der Auslenkungsänderung und dem in der Druckkammer eingestellten Außendruck auf die Berstmembran die Innendruckänderung in dem Zellgehäuse zu bestimmen.
Die hinsichtlich ihres Innendrucks zu überwachende Batteriezelle ist insbesondere eine prismatische Li-lonen-Batteriezelle mit einem metallischen, flachquaderförmigen Zellgehäuse, in dessen Innenraum ein galvanisches Element angeordnet ist. An einer Gehäusewand des Zellgehäuses, beispielsweise an einem Gehäusedeckel des Zellgehäuses, ist die Berstmembran angeordnet. Die Berstmembran ist dabei mit der Gehäusewand verbunden und verschließt eine Entgasungsöffnung in der Gehäusewand gasdicht. Die Berstmembran kann sich dabei bei einer Änderung des Innendrucks in dem Innenraum des Zellgehäuses bis zu einem bestimmten Schwellwert, welcher einen Übergang zwischen einer elastischen Verformung und einer plastischen Verformung der Berstmembran beschreibt, elastisch verformen. Sobald darüber hinaus der Innendruck während der plastischen Verformung der Berstmembran den Berstdruck erreicht hat, berstet bzw. reißt die Berstmembran. Durch das Bersten gibt die Berstmembran die Entgasungsöffnung zum Ablassen des Innendrucks aus dem Zellgehäuse frei.
Zum Erfassen von Änderungen des Innendrucks bzw. Innendruckänderungen in dem Zellgehäuse wird die Batteriezelle während eines Absicherungsprozesses vor Anwendung der Batteriezelle in der Hochvoltbatterie in dem Messaufbau angeordnet, welcher die Erfassungsvorrichtung umfasst. In dem Messaufbau kann beispielsweise eine bestimmte Betriebsstrategie für die Batteriezelle aktiv vorgegeben werden und dabei zum Bestimmen der optimalen Betriebsstrategie der Innendruck der Batteriezelle überwacht werden. Beispielsweise kann die Batteriezelle über Aktoren des Messaufbaus mit bestimmten Ladeströmen und Temperaturen beaufschlagt werden. Unter der Innendruckänderung ist hier der aktuelle Zellinnendruck relativ zu einem Anfangswert des Zellinnendrucks zu verstehen. Im Falle, dass der Anfangswert des Innendrucks bekannt ist, beispielsweise über eine Angabe eines Herstellers der Batteriezellen, kann aus der Innendruckänderung der absolute Innendruck bestimmt werden.
Beim Anordnen der Batteriezelle in dem Messaufbau wird die Druckkammer auf das Zellgehäuse aufgesetzt. Die Druckkammer ist insbesondere ein einseitig offenes Gehäuse, welches außerhalb des Zellgehäuses an der die Berstmembran aufweisenden Gehäusewand angeordnet wird und dabei die Berstmembran überdeckt. Zwischen der die Berstmembran aufweisenden Gehäusewand und der Druckkammer ist somit ein abgeschlossenes, definiertes Volumen ausgebildet. Die Druckkammer weist den Druckanschluss auf, über welche der Kammerdruck in der Druckkammer eingestellt werden kann. In dem Volumen herrscht somit ein definierter Druck vor, welcher als Außendruck auf das Berstelement wirkt und welcher einen Gegendruck zu dem auf die Berstmembran wirkenden Innendruck in dem Zellgehäuse bildet.
Wenn der Innendruck größer als der Außendruck ist, so verformt sich das Berstelement und wölbt sich nach außen in Richtung der Druckkammer. Diese Verformung des Berstelementes kann als Auslenkungsänderung des Berstelementes mittels der Sensoreinrichtung erfasst werden. Die Auslenkungsänderung ist dabei eine Auslenkung der Berstmembran relativ zu einem Anfangswert der Auslenkung der Berstmembran. Der Anfangswert der Auslenkung ist dabei insbesondere derjenige Wert der Auslenkung, welchen die Berstmembran bei dem Anfangswert des Innendrucks aufweist. Die von der Sensoreinrichtung erfasste Auslenkungsänderung kann an die Auswerteeinrichtung der Erfassungsvorrichtung übermittelt werden. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise außerhalb der Druckkammer angeordnet sein. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, die Innendruckänderung anhand der Auslenkungsänderung sowie anhand des über den Druckanschluss in der Druckkammer eingestellten Kammerdrucks zu bestimmen.
Mittels der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung ist es also möglich, für Batteriezellen ohne integrierte Detektionseinrichtung den Zellinnendruck über die Lebensdauer der Batteriezelle zu beobachten und darauf basierend eine optimale Betriebsstrategie festzulegen. Die optimale Betriebsstrategie umfasst insbesondere Betriebsgrenzen für die Batteriezelle, beispielsweise ein maximaler Ladestrom, eine maximale Betriebstemperatur, etc., durch welche eine möglichst langlebige Batteriezelle bereitgestellt werden kann.
Vorzugsweise weist die Sensoreinrichtung zur Erfassung der Auslenkungsänderung der Berstmembran einen auf der Berstmembran anordenbaren Dehnungsmessstreifen und/oder einen Sensor zur berührungslosen Distanzmessung auf. Der Sensor zur berührungslosen Distanzmessung kann beispielsweise ein Laser-Interferometer, ein zur Lasertriangulation ausgelegter Lasersensor, ein induktiver Näherungssensor, ein kapazitiver Näherungssensor oder dergleichen sein. Der Sensor zur berührungslosen Distanzmessung kann beispielsweise in der Druckkammer befestigt sein und weist den Vorteil auf, dass er gemeinsam mit der Druckkammer an dem Zellgehäuse angeordnet und wieder von dem Zellgehäuse entfernt werden kann. Der Dehnungsmessstreifen bzw. DMS kann beispielsweise über einen in der Druckkammer angeordneten Federkontaktstift kontaktiert werden, um ein von dem DMS erfasstes, die Auslenkungsänderung beschreibendes Sensorsignal an die Auswerteeinrichtung übermitteln zu können. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, falls das Zellgehäuse bereits über einen an der Berstmembran angeordneten Dehnungsmessstreifen verfügt.
Insbesondere weist die Erfassungsvorrichtung eine Verspanneinrichtung auf, mittels welcher die Druckkammer an dem Zellgehäuse gasdicht befestigbar ist. Beispielsweise kann das Zellgehäuse mit der Druckkammer in der Verspanneinrichtung angeordnet werden, welche die Druckkammer an das Zellgehäuse anpresst. Zusätzlich kann eine Dichtung in einem Anpressbereich zwischen der Gehäusewand der Zellgehäuses und der Druckkammer angeordnet werden. Durch eine solche Verspanneinrichtung kann die Druckkammer in vorteilhafter Weise schnell und einfach an dem Zellgehäuse angeordnet werden und auch wieder zerstörungsfrei von dem Zellgehäuse zur Verwendung der Druckkammer an einer anderen Batteriezelle gelöst werden. Als weitere Funktion der Verspanneinrichtung könnte diese auf einen maximalen Anpressdruck ausgelegt werden, sodass die Druckkammer sich von dem Zellgehäuse löst und beispielsweise durch einen Fanghaken gehalten wird, wenn die Berstmembran der Batteriezelle berstet bzw. öffnet. Alternativ dazu kann die Druckkammer ebenfalls über eine Berstmembran verfügen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Open-Loop-Messverfahren durchzuführen, wobei dazu die Sensoreinrichtung bei einem in der Druckkammer eingestellten, konstanten Wert des Außendrucks dazu ausgelegt ist, einen Wert der Auslenkungsänderung der Berstmembran zu bestimmen, und wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand einer vorbestimmten Federkonstante der Berstmembran und des Werts der Auslenkungsänderung die Innendruckänderung zu bestimmen. Unter dem Open-Loop-Messverfahren wird eine ungeregelte Messung verstanden, welche über keine Rückkopplung verfügt. Dazu wird in der Druckkammer über den Druckanschluss zunächst ein bestimmter, konstanter Kammerdruckwert eingestellt, welcher als konstanter, bekannter Außendruck auf die Berstmembran wirkt. Sobald sich der Innendruck in dem Zellgehäuse ändert, lenkt sich die Berstmembran aus, was mittels der Sensoreinrichtung quantitativ erfasst werden kann. Anders ausgedrückt wird die lediglich von der Innendruckänderung abhängige Auslenkungsänderung mittels der Sensoreinrichtung erfasst. Unter Kenntnis der Federkonstante (a), welche die Auslenkungsänderung (Δd) der Berstmembran in Abhängigkeit von der Innendruckänderung (Δp_i ) beschreibt, wird mittels der Auswerteeinrichtung daraufhin rechnerisch die Innendruckänderung nach der Formel (1) $Δ p_{i} = \frac{Δ d}{α}$
bestimmt. Ein solches Open-Loop-Messverfahren ist besonders einfach zu implementieren.
Vorzugsweise ist die Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt, das Open-Loop-Messverfahren nur durchzuführen, falls ein Erwartungswert der Auslenkungsänderung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Der Erfindung liegt hierbei die Erkenntnis zugrunde, dass der lineare Zusammenhang gemäß Formel (1) nur gegeben ist, solange die bei dem konstanten Außendruck zu erwartende Innendruckänderung und damit eine Druckdifferenz zwischen dem Innendruck und dem Außendruck klein sind und dadurch der Innendruck den Berstdruck der Berstmembran unterschreitet. In diesem Fall verformt sich die Berstmembran nämlich nur elastisch. Tritt nämlich die plastische Verformung der Berstmembran ein, so kann es sein, dass nach der Auslenkung der Berstmembran die Auslenkung teilweise bestehen bleibt, obwohl der Innendruck wieder reduziert wurde. Damit hat sich der Operationspunkte der linearen Gleichung verschoben und möglicherweise auch die Federkonstante. Die zuvor bestimmten Werte der Federkonstante können also nicht mehr verwendet werden..
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt, in einem Kalibrierschritt die Federkonstante der Berstmembran zu bestimmen, indem die Druckkammer dazu ausgelegt ist, bei einem konstanten Innendruck in dem Zellgehäuse zwei unterschiedliche Außendruckwerte vorzugeben, die Sensoreinrichtung dazu ausgelegt ist, zwei aus den unterschiedlichen Außendruckwerten resultierende Auslenkungswerte der Berstmembran zu erfassen, und die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, die Federkonstante als den Quotienten aus der Differenz der Auslenkungswerte und der Differenz der Außendruckwerte zu bestimmen. Die Differenz der Außendruckwerte entspricht dabei einer Außendruckänderung (Δp_a ). Die Differenz der Auslenkungswerte entspricht dabei der Auslenkungsänderung. Bei konstantem Innendruck und im elastischen Bereich der Berstmembran kann die Federkonstante über Formel (2) $α = \frac{Δ d}{Δ p_{a}}$
bestimmt werden. Solange sich also die Auslenkungsänderung der Berstmembran im elastischen Bereich der Berstmembran bewegt, herrscht der lineare Zusammenhang gemäß Formel (2), sodass die Federkonstante mittels einer Zweipunktmessung, also durch Vorgabe von zwei Außendruckwerten und Messen von zwei Auslenkungswerten, bei konstantem Innendruck in dem Zellgehäuse erfasst werden kann.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, die Federkonstante in dem Kalibrierschritt für unterschiedliche Temperaturwerte zu bestimmen, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, einen aktuellen Temperaturwert zu empfangen und die Innendruckänderung in Abhängigkeit von dem Wert der Auslenkungsänderung und der mit der aktuellen Temperatur korrespondierenden Federkonstante zu bestimmen. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Elastizität und damit ein Auslenkungsverhalten der Berstmembran abhängig von der Temperatur sind. So ist beispielsweise bei tiefen Temperaturen eine Auslenkungsänderung der Berstmembran geringer als bei hohen Temperaturen. Um diese Abhängigkeit zu eliminieren, werden Werte der Federkonstante für unterschiedliche Temperaturen bestimmt. Die Temperaturwerte mit den zugeordneten Werten der Federkonstante können beispielsweise in einer Umsetzungstabelle hinterlegt werden. In Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur der Berstmembran kann von der Auswerteeinrichtung aus der Umsetzungstabelle der zugeordnete Wert der Federkonstante für die Bestimmung der Innendruckänderung in dem Zellgehäuse ausgelesen werden. Die aktuelle Temperatur kann beispielweise durch die aktuelle Betriebsstrategie vorgegeben werden oder kann von einem Temperatursensor der Erfassungsvorrichtung erfasst und an die Auswerteeinrichtung übermittelt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Closed-Loop-Messverfahren durchzuführen, wobei dazu die Druckkammer und die Sensoreinrichtung dazu ausgelegt sind, den Außendruck derart zu regeln, dass der Wert der Auslenkungsänderung null ist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, die Innendruckänderung anhand des geregelten Außendrucks zu bestimmen. Gemäß dieser Ausführungsform wird also eine geregelte Messung mit Rückkopplung durchgeführt, indem der Außendruck so lange verändert wird, bis er die Innendruckänderung kompensiert und dadurch die Auslenkungsänderung der Berstmembran in etwa null ist. Der für den Zustand der unausgelenkten Berstmembran in der Druckkammer eingestellte Außendruck relativ zu einem Anfangsaußendruck entspricht dabei der Innendruckänderung.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Erfassungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, das Closed-Loop- Messverfahren zumindest dann durchzuführen, falls ein Erwartungswert der Auslenkungsänderung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Das Closed-Loop-Messverfahren wird also zumindest dann durchgeführt, wenn sich die Berstmembran aufgrund der erwarteten Innendruckänderung nicht nur mehr elastisch, sondern plastisch verformen würde, also reißen würde. Über die Aufbringung des Gegendrucks in Form von dem geregelten Außendruck kann also verhindert werden, dass die Berstmembran sich auslenkt und sich dabei plastisch verformt, aber es kann dennoch die Innendruckänderung erfasst werden. Dies wäre bei dem Open-Loop-Messverfahren nicht möglich. Außerdem wird durch das Closed-Loop-Messverfahren die Abhängigkeit der Auslenkungsänderung der Berstmembran von der Temperatur in vorteilhafter Weise bereits implizit eliminiert, sodass der Einsatz des Closed-Loop-Messverfahrens auch im elastischen Bereich der Berstmembran vorteilhaft ist.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Messaufbau mit einer prismatischen Batteriezelle, welche ein Zellgehäuse mit einer Berstmembran aufweist, und mit einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung, wobei die Druckkammer der Erfassungsvorrichtung auf die Berstmembran aufgesetzt ist und gasdicht mit dem Zellgehäuse verbunden ist.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Messaufbau.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Messaufbaus mit einer Batteriezelle und einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung;
2 eine schematische Perspektivdarstellung einer Gehäusewand der Batteriezelle sowie einer Druckkammer der Erfassungsvorrichtung;
3 eine schematische Explosivdarstellung einer Gehäusewand der Batteriezelle sowie einer zweiten Ausführungsform der Erfassungsvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer Außendruck-Auslenkungs-Kennlinie für eine Kalibrierung eines Open-Loop-Messverfahrens der Erfassungsvorrichtung; und
5 ein Flussdiagramm eines Closed-Loop-Messverfahrens der Erfassungsvorrichtung.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Messaufbau 1 mit einer prismatischen Batteriezelle 2 sowie mit einer Erfassungsvorrichtung 3 zum Erfassen einer Änderung eines Innendrucks p_i in einem Innenraum 4 eines Zellgehäuses 5 der Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 kann beispielsweise in einer Hochvoltbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Das flachquaderförmige Zellgehäuse 5 weist mehrere metallische Gehäusewände auf. In einer der Gehäusewände, hier in einem Gehäusedeckel 6 des Zellgehäuses 5, ist eine Entgasungsöffnung 7 angeordnet, über welche im Schadensfall, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, ein in dem Zellgehäuse 5 entstehendes Heißgas in eine Umgebung der Batteriezelle 2 entweichen kann. Die Entgasungsöffnung 7 ist im Normalfall von einer Berstmembran 8 gasdicht abgeschlossen, welche in dem Schadensfall aufgrund des in dem Innenraum 4 ansteigenden Innendrucks p_i , welcher von innen auf die Berstmembran 8 wirkt, berstet und dadurch die Entgasungsöffnung 7 freigibt, sobald der Innendruck p_i einem Berstdruck der Berstmembran 8 erreicht hat.
Die Erfassungsvorrichtung 3 umfasst eine Druckkammer 9, welche gasdicht auf den Gehäusedeckel 6 des Zellgehäuses 5 aufgesetzt ist, sodass die Berstmembran 8 in der Druckkammer 9 angeordnet ist. Zum gasdichten Verbinden kann beispielsweise eine Dichtung 10 zwischen der Druckkammer 9 und dem Gehäusedeckel 6 des Zellgehäuses 5 angeordnet sein und die Druckkammer 9 kann über eine Verspanneinrichtung 11 an den Gehäusedeckel 6 angepresst werden. Die Druckkammer 9 weist einen Druckanschluss 12 auf, über welchen ein Kammerdruck in einem Innenraum der Druckkammer 9 eingestellt werden kann. Der Kammerdruck wirkt dabei als ein Außendruck p_a von außerhalb des Zellgehäuses 5 auf die Berstmembran 8 und wirkt damit dem Innendruck p_i entgegen. Die Druckkammer 9 und der Gehäusedeckel 6 mit der Berstmembran 8 sind in einer schematischen Perspektivansicht in 2 gezeigt.
Außerdem weist die Erfassungsvorrichtung 3 eine Sensoreinrichtung 13 zur Erfassung einer aus der Änderung des Innendrucks pi resultierende Auslenkungsänderung der Berstmembran 8 auf. In 1 weist die Sensoreinrichtung 13 ein berührungsloses Distanzmessgerät, beispielsweise ein Laser-Interferometer 14, auf, welches mittels eine Laserstrahls 15 die Auslenkungsänderung der Berstmembran 8 erfassen kann. Es kann aber auch sein, dass das berührungslose Distanzmessgerät ein kapazitiver oder induktiver Näherungssensor oder ein Lasersensor ist, welcher die Auslenkung über Lasertriangulation misst. In einer Ausführungsform der Erfassungsvorrichtung 3, welche in der Explosionsdarstellung mit dem Gehäusedeckel 6 in 3 gezeigt ist, weist die Sensoreinrichtung 13 einen Dehnungsmessstreifen 16 auf, welcher an der Berstmembran 8 angeordnet ist. Der Dehnungsmesstreifen 16 weist Kontaktpads 17 auf, welche mittels in der Druckkammer 9 angeordneter Federkontaktstifte 18 kontaktiert werden können. Die von der Sensoreinrichtung 13 erfasste Auslenkungsänderung kann an eine hier nicht gezeigte Auswerteeinrichtung übermittelt werden, welche basierend auf der Auslenkungsänderung sowie basierend auf dem in der Druckkammer 9 eingestellten Außendruck p_a die Änderung des Innendrucks p_i bestimmt. Die Änderung des Innendrucks p_i entspricht dabei einem Relativinnendruck bezogen auf einen Anfangsinnendruck in dem Zellgehäuse 5, welcher unbekannt sein kann.
Die Änderung des Innendrucks p_i , also die Innendruckänderung Δp_i , kann beispielsweise mittels eines Open-Loop-Messverfahrens durchgeführt werden. Dazu wird in der Druckkammer 9 der Außendruck p_a auf einen konstanten Wert eingestellt und es wird die aus der Innendruckänderung Δp_i resultierende Auslenkungsänderung Δd gemessen. Die Innendruckänderung Δp_i wird dann als der Quotient aus der Auslenkungsänderung Δd und einer vorbestimmten Federkonstante α der Berstmembran 8 bestimmt. Da die Bestimmung der Innendruckänderung Δp_i über die Quotientenbildung nur möglich ist, wenn sich die Berstmembran 8 elastisch, nicht aber plastisch, verformt, wird das Open-Loop-Messverfahren nur dann durchgeführt, wenn die zu erwartenden Innendruckänderung Δp_i klein sind.
Die Federkonstante α kann von der Erfassungsvorrichtung 3 während eines Kalibrierschrittes mittels einer Zweipunktmessung bestimmt werden. Dazu werden bei einem konstanten Innendruck p_i zwei Außendruckwerte p_a1 , p_a2 in der Druckkammer 9 vorgegeben. Mittels der Sensoreinrichtung 13 werden die aus den Außendruckwerten p_a1 , p_a2 resultierenden Auslenkungswerte d₁ , d₂ erfasst. Solange die Außendruckänderung Δp_a , welche aus der Differenz der Außendruckwerte p_a1 , p_a2 gebildet wird, klein ist, und sich die Berstmembran 8 im elastischen Auslenkungsbereich befindet, gilt der in 4 gezeigte lineare Zusammenhang 19 zwischen dem Außendruck p_a und der Auslenkung d. Aus diesem linearen Zusammenhang 19 kann die Federkonstante α als der Quotient aus der Auslenkungsänderung Δd, welche aus der Differenz der Auslenkungswerte d₁ , d₂ bestimmt wird, und der Außendruckänderung Δp_a bestimmt werden.
Sobald jedoch die Innendruckänderung Δp_i so groß ist, dass eine plastische Verformung der Berstmembran 8, wird anstelle des Open-Loop-Messverfahrens ein Closed-Loop-Messverfahren durchgeführt, wie es anhand des Flussdiagramms in 5 gezeigt ist. Bei dem Closed-Loop-Messverfahren wird der Außendruck p_a in der Druckkammer 9 derart eingestellt bzw. geregelt, dass die Auslenkungsänderung Δd null wird. Dieser Außendruck p_a bezogen auf einen Anfangsaußendruck entspricht dann der Innendruckänderung Δpi. Zur Durchführung des Closed-Loop-Messverfahrend wird bei einem Startschritt S die Messung bei einer Innendruckänderung von null Δp_i = 0, einer Auslenkungsänderung von null Δd = 0 und einem Anfangsaußendruck p_a = p_a0 gestartet.
In einem ersten Verfahrensschritt V1 wird die Auslenkungsänderung Δd erfasst, welche aus einer Innendruckänderung Δp_i resultieren kann. In einem Entscheidungsschritt E wird überprüft, ob die Auslenkungsänderung Δd kleiner null ist Δp_i < 0. Falls nicht (N), wird in einem Verfahrensschritt V2a der Außendruck p_a um einen Außendruckänderungswert Δp_a verringert (p_a = p_a - Δp_a) und zu dem ersten Verfahrensschritt V1 zurückkehrt. Falls ja (Y), wird erkannt, dass sich der Innendruck p_i erhöht hat und es wird in einem Verfahrensschritt V2b der Außendruck p_a um den Außendruckänderungswert Δp_a (p_α = p_a + Δp_a) erhöht, um dem Innendruck p_i entgegenzuwirken. Dann wird zu dem ersten Verfahrensschritt V1 zurückkehrt. Sobald die Auslenkungsänderung Δd null beträgt, bestimmt sich die Innendruckänderung zu Δp_i = p_a - p_a0.
Durch das Closed-Loop-Messverfahren ergibt sich der Vorteil, dass durch das Aufbringen des Gegendrucks eine plastische Verformung der Berstmembran 8 verhindert wird und somit eine gültige Messung über einen erweiterten Druckbereich möglich ist. Weiterhin wird eine Temperaturabhängigkeit der Elastizität der Berstmembran 8 implizit korrigiert.
Bezugszeichenliste

1: Messaufbau
2: Batteriezelle
3: Erfassungsvorrichtung
4: Innenraum
5: Zellgehäuse
6: Gehäusedeckel
7: Entgasungsöffnung
8: Berstmembran
9: Druckkammer
10: Dichtung
11: Verspanneinrichtung
12: Druckanschluss
13: Sensoreinrichtung
14: Laser-Interferometer
15: Laserstrahl
16: Dehnungsmessstreifen
17: Kontaktpads
18: Federkontaktstift
19: Zusammenhang
p_i: Innendruck
Δp_i: Innendruckänderung
p_a: Außendruck
p_a0, p_a1, p_a2: Außendruckwerte
Δp_a: Außendruckänderung
d: Auslenkung
d₁, d₂: Auslenkungswerte
Δd: Auslenkungsänderung
S: Startschritt
V1, V2a. V2b: Verfahrensschritte
E: Entscheidungsschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013216076 A1 [0003]

Claims

Erfassungsvorrichtung (3) zur Erfassung einer Innendruckänderung (Δp_i) in einem Zellgehäuse (5) einer prismatischen Batteriezelle (2) für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, mit - einer Druckkammer (9), welche von außerhalb des Zellgehäuses (5) gasdicht auf eine Berstmembran (8) des Zellgehäuses (5) aufsetzbar ist und einen Druckanschluss (12) zum Einstellen eines, als ein Außendruck (p_a) auf die Berstmembran (8) wirkenden Kammerdrucks in der Druckkammer (9) aufweist, - einer Sensoreinrichtung (13), welche dazu ausgelegt ist, eine aus der Innendruckänderung (Δp_i) resultierende Auslenkungsänderung (Δd) der Berstmembran (8) zu erfassen, und - einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der Auslenkungsänderung (Δd) und dem in der Druckkammer (9) eingestellten Außendruck (p_a) auf die Berstmembran (8) die Innendruckänderung (Δp_i) in dem Zellgehäuse (5) zu bestimmen.
Erfassungsvorrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (13) zur Erfassung der Auslenkungsänderung (Δd) der Berstmembran (8) einen auf der Berstmembran (8) anordenbaren Dehnungsmessstreifen (16) und/oder einen Sensor zur berührungslosen Distanzmessung aufweist.
Erfassungsvorrichtung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (3) eine Verspanneinrichtung (11) aufweist, mittels welcher die Druckkammer (9) an dem Zellgehäuse (5) gasdicht befestigbar ist.
Erfassungsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, ein Open-Loop-Messverfahren durchzuführen, wobei die Sensoreinrichtung (13) bei einem in der Druckkammer (9) eingestellten, konstanten Wert des Außendrucks (p_a) dazu ausgelegt ist, einen Wert der Auslenkungsänderung (Δd) der Berstmembran (8) zu bestimmen, und wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand einer vorbestimmten Federkonstante der Berstmembran (9) und des Werts der Auslenkungsänderung (Δd) die Innendruckänderung (Δp_i) zu bestimmen
Erfassungsvorrichtung (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, das Open-Loop- Messverfahren nur durchzuführen, falls ein Erwartungswert der Auslenkungsänderung (Δd) einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
Erfassungsvorrichtung (3) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, in einem Kalibrierschritt die Federkonstante der Berstmembran (8) zu bestimmen, indem die Druckkammer (9) dazu ausgelegt ist, bei einem konstanten Innendruck in dem Zellgehäuse (5) zwei unterschiedliche Außendruckwerte (p_a1, p_a2) vorzugeben, die Sensoreinrichtung (13) dazu ausgelegt ist, zwei aus den unterschiedlichen Außendruckwerten (p_a1, p_a2) resultierende Auslenkungswerte (d₁, d₂) zu erfassen, und die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, die Federkonstante als den Quotienten aus der Differenz der Auslenkungswerte (d₁, d₂) und der Differenz der Außendruckwerte (p_a1, p_a2) zu bestimmen.
Erfassungsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, die Federkonstante in dem Kalibrierschritt für unterschiedliche Temperaturwerte zu bestimmen, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, einen aktuellen Temperaturwert zu empfangen und die Innendruckänderung (Δp_i) in Abhängigkeit von dem Wert der Auslenkungsänderung (Δd) und der mit der aktuellen Temperatur korrespondierenden Federkonstante zu bestimmen.
Erfassungsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, ein Closed-Loop-Messverfahren durchzuführen, und dazu die Druckkammer (9) und die Sensoreinrichtung (13) dazu ausgelegt sind, den Außendruck (p_a) derart zu regeln, dass der Wert der Auslenkungsänderung (Δd) null ist, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, die Innendruckänderung (Δp_i) anhand des geregelten Außendrucks (p_a) zu bestimmen.
Erfassungsvorrichtung (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (3) dazu ausgelegt ist, das Closed-Loop-Messverfahren zumindest dann durchzuführen, falls ein Erwartungswert der Auslenkungsänderung (Δd) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Messaufbau (1) mit einer prismatischen Batteriezelle (2), welche ein Zellgehäuse (5) mit einer Berstmembran (8) aufweist, und einer Erfassungsvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckkammer (9) der Erfassungsvorrichtung (3) auf die Berstmembran (8) aufgesetzt ist und gasdicht mit dem Zellgehäuse (5) verbunden ist.