DE102018131006A1

DE102018131006A1 - Elektrochemische energiespeichervorrichtung, system und verfahren zur überwachung einer elektrochemischen energiespeichervorrichtung sowie fahrzeug

Info

Publication number: DE102018131006A1
Application number: DE102018131006.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt; Bastian Huber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2020-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein Fahrzeug. Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist auf: ein Gehäuse, wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle, die in dem Gehäuse angeordnet ist, wenigstens ein schallemittierendes Element, welches dazu eingerichtet ist, akustische Wellen zu emittieren, wenn sich der Zustand der Energiespeichervorrichtung, insbesondere der Zustand der Energiespeicherzelle, in einer bestimmten Weise ändert, und einem Sensor, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der vom schallemittierenden Element emittierten akustischen Wellen zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein Fahrzeug.
Elektrochemische Energiespeicherzellen, wie etwa Lithium-Ionen-Zellen, sind aufgrund ihrer im Vergleich zu Energiespeicherzellen anderen Typs hohen Energiedichten im Bereich der sogenannten Elektromobilität sowohl bei Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb als auch bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb von zentraler Bedeutung.
Beim Betrieb solcher Energiespeicherzellen kann es unter Umständen, etwa infolge eines internen Kurzschlusses oder Eindringens von Wasser, durch Überspannungen oder Überströmen, zu unerwünschten Betriebszuständen kommen, die im schlimmsten Fall zu einem sog. thermischen Durchgehen einer Zelle führen können. Damit es nicht so weit kommt, wird der Betriebszustand elektrochemischer Energiespeicherzellen überwacht, um solche Betriebszustände frühzeitig zu detektieren und ggf. Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein System, ein Verfahren sowie ein Fahrzeug anzugeben, durch welche bzw. welches der Betriebszustand der elektrochemischen Energiespeicherzelle einfach und/oder zuverlässig überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung weist auf: ein Gehäuse, wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle, die in dem Gehäuse angeordnet ist, wenigstens ein schallemittierendes Element, welches dazu eingerichtet ist, akustische Wellen zu emittieren, wenn sich der Zustand der Energiespeichervorrichtung, insbesondere der Zustand der Energiespeicherzelle, in einer bestimmten Weise ändert, und einen Sensor, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der vom schallemittierenden Element emittierten akustischen Wellen zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal zu erzeugen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, wobei das System eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung und eine Steuerungseinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die elektrochemische Energiespeichervorrichtung basierend auf dem Sensorsignal zu steuern und/oder wenigstens eine den Betriebszustand der Energiespeicherzelle charakterisierende Zustandsinformation aus dem Sensorsignal abzuleiten.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, welche ein Gehäuse, wenigstens eine im Gehäuse angeordnete elektrochemische Energiespeicherzelle und wenigstens ein schallemittierendes Element aufweist, welches dazu eingerichtet ist, akustische Wellen zu emittieren, wenn sich der Zustand der Energiespeichervorrichtung, insbesondere der Zustand der Energiespeicherzelle, in einer bestimmten Weise ändert, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen zumindest eines Teils der vom schallemittierenden Element emittierten akustischen Wellen und Erzeugen eines entsprechenden Sensorsignals und Steuern der wenigstens einen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung basierend auf dem Sensorsignal und/oder auditives und/oder visuelles Ausgeben wenigstens einer aus dem Sensorsignal abgeleiteten Information.
Noch ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit wenigstens einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gemäß einem Aspekt und/oder mit einem System zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung.
Zur Vereinfachung wird bei der folgenden Darstellung der Erfindung die elektrochemische Energiespeichervorrichtung auch als „Vorrichtung“ und die mindestens eine elektrochemische Energiespeicherzelle auch als „Zelle“ bezeichnet.
Aspekte der Erfindung basieren vorzugsweise auf dem Ansatz, relevante bzw. kritische Zustände und/oder Ereignisse in der Zelle und/oder Vorrichtung mittels eines oder mehrerer akustischer Sensoren zu erfassen bzw. zu erkennen. Ein vorzugsweise in oder an der Zelle vorgesehenes schallemittierendes Element emittiert bei bestimmten Zuständen, Ereignissen und/oder Zustandsänderungen in der Zelle akustische Wellen, die von mindestens einem Sensor erfasst werden. Anhand der dabei erzeugten Sensorsignale kann z.B. die Zelle gesteuert und/oder daraus wenigstens eine den Betriebszustand der Zelle charakterisierende Zustandsinformation abgeleitet und ggf. ausgegeben werden.
Bei dem Sensor kann es sich z.B. um einen piezoelektrischen Sensor handeln, der auftreffende Schallwellen und damit einhergehende Schwankungen des auf den Sensor wirkenden Drucks in elektrische Signale umwandelt. Grundsätzlich können aber auch andere Arten von aktiven und/oder passiven Schallwandlern eingesetzt werden, wie etwa dynamische oder induktive Mikrofone, Kondensatormikrofone oder Kohlemikrofone.
Bei den emittierten bzw. detektierten Schallwellen kann es sich grundsätzlich um jede Art von Schall im allgemeinen Sinne handeln, insbesondere um jede Art von mechanischen Schwingungen in einem elastischen Medium (Gas, Flüssigkeit, Festkörper), die sich in Form von Schallwellen als Druck- und Dichteschwankungen fortpflanzen. Die Frequenzen der betrachteten Schallwellen können grundsätzlich im gesamten Frequenzbereich von Schall liegen, also z.B. im Bereich von Infraschall (kleiner als 16 Hz), Hörschall (16 Hz bis 20 kHz) und/oder Ultraschall (20 kHz bis 1,6 GHz).
Bei dem schallemittierenden Element kann es sich z.B. um eine bereits in der Zelle befindliche Komponente der Zelle selbst oder aber auch um ein zusätzlich in die Zelle und/oder Vorrichtung eingebrachtes „akustisch aktives“ Element handeln, das bei bestimmten Bedingungen in der Zelle Schall emittiert. Durch die Verwendung solcher zusätzlicher Elemente, welche bei der Schallemission ggf. teilweise oder ganz zerstört oder zumindest strukturell verändert und daher auch als „Opfermaterialien“ bezeichnet werden, kann die Sensitivität der Vorrichtung bzw. des Systems für bestimmte Ereignisse bzw. Zustandsänderungen erhöht und/oder eine verbesserte Unterscheidung zwischen möglichen unterschiedlichen Ereignissen bzw. Zustandsänderungen in der Zelle erreicht werden.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung damit eine einfache und zuverlässige Überwachung des Betriebszustands der elektrochemischen Energiespeicherzelle.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine schallemittierende Element dazu eingerichtet, akustische Wellen zu emittieren, wenn sich wenigstens eine den Zustand der Energiespeichervorrichtung charakterisierende Zustandsgröße wie folgt ändert: die Zellenspannung wenigstens einer Energiespeicherzelle erreicht, überschreitet oder unterschreitet einen bestimmten Spannungsschwellenwert und/oder ein durch die Energiespeicherzelle fließender elektrischer Strom erreicht, überschreitet oder unterschreitet einen bestimmten Stromschwellenwert und/oder ein im Gehäuse und/oder in der Energiespeicherzelle herrschender Druck erreicht, überschreitet oder unterschreitet einen bestimmten Druckschwellenwert.
Vorzugsweise ist das schallemittierende Element am Gehäuse angeordnet und dazu eingerichtet, sich bei Überschreiten eines im Gehäuse herrschenden Überdrucks unter Emission akustischer Wellen mechanisch zu verändern, insbesondere sich zu verformen, zu reißen und/oder zu brechen. Alternativ oder zusätzlich ist das schallemittierende Element dazu eingerichtet, bei Überschreiten eines Überdrucks seine Form sprunghaft zu ändern. Der akustische Sensor erfasst bei diesen Ausführungen die, beispielsweise durch Verformung, Reißen und/oder Brechen hervorgerufene, mechanische Veränderung bzw. sprunghafte Formänderung des schallemittierenden Elements. Auf diese Weise lassen sich kritische Zustände, Ereignisse und/oder Zustandsänderungen in der Zelle besonders zuverlässig akustisch erfassen.
Es ist ferner bevorzugt, dass das schallemittierende Element dazu eingerichtet ist, bei Überschreiten eines Überdrucks seine Form durch einen sprunghaften Übergang von einer ersten Form zu einer zweiten Form zu ändern. Vorzugsweise weist die erste Form einen im Wesentlichen ebenen oder konkaven Verlauf und die zweite Form einen konvexen Verlauf auf. Eine auf diese Weise auftretende sprunghafte Formänderung und damit einhergehende Schallemission lässt sich besonders zuverlässig erfassen, so dass kritische Zustände, Ereignisse und/oder Zustandsänderungen in der Zelle besonders zuverlässig erkannt werden können.
Vorzugsweise ist das schallemittierende Element als Druckausgleichseinrichtung ausgebildet, welche dazu eingerichtet ist, nach Überschreiten eines innerhalb des Gehäuses vorherrschenden Überdrucks zumindest teilweise gasdurchlässig zu werden, so dass Gas aus dem Gehäuse entweichen kann. Beispielsweise kann die Druckausgleichseinrichtung als Berstscheibe und/oder Berstmembran ausgebildet sein, welche nach Überschreiten des Überdrucks durch Rissbildung und/oder Zerspringen zumindest teilweise gasdurchlässig wird. Der akustische Sensor erfasst hierbei die bei einem Druckausgleich, welcher auch als Venting bezeichnet wird, bzw. einem Reißen oder Zerbersten der Berstscheibe oder -membran auftretenden Schallemissionen in zuverlässiger Weise, so dass auch bei dieser Ausführung kritische Zustände, Ereignisse und/oder Zustandsänderungen in der Zelle besonders zuverlässig erkannt werden können.
Es ist ferner bevorzugt, dass das wenigstens eine schallemittierende Element durch wenigstens eines der folgenden gegeben ist: ein zusätzlich in die Zelle und/oder das Gehäuse eingebrachtes Element in Form von Partikeln, einer Dotierung und/oder eines Bauteils, ein Opfermaterial, das im Separator, in den Elektroden, in den Zellen und/oder Zellenzwischenräumen verbaut ist.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung, das System und/oder Verfahren zur Detektion der Entstehung von Wasserstoff eingerichtet. Gelangt etwa durch eine Undichtigkeit im Kühlsystem Wasser bzw. ein Wasser-Glykol-Gemisch in die Batterie bzw. das Gehäuse, kann es zur Entstehung von Wasserstoff durch Elektrolyse kommen, wenn spannungsführende Teile mit einer hinreichend großen Potentialdifferenz, beispielsweise von mehr als 2 V, in die Flüssigkeit ragen. Dabei kann sich ein Knallgasgemisch bilden, das eine Gefährdung darstellt. Um dies zu verhindern, wird die Gasbildung in der Zelle durch den akustischen Sensor erfasst. Die dabei erhaltenen Sensorsignale werden dann entsprechend ausgewertet. Vorzugsweise ist der Sensor dabei dazu eingerichtet, die mit einem Platzen der entstehenden Gasblasen einhergehende Schallemission zu detektieren. Die Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Dauer und/oder Intensität der erfassten Ereignisse zu bestimmen und anhand der Dauer und/oder Intensität auf ein Platzen von Gasbläschen und damit die Entstehung von Wasserstoff zu schließen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung auch dazu eingerichtet sein, spektrale Eigenschaften der erfassten akustischen Wellen zu ermitteln, etwa Breite und/oder Lage bestimmter spektraler Anteile, um eine Wasserstoffbildung zu erkennen und/oder von anderen Geräuschquellen zu unterscheiden. Vorzugsweise wird eine Anordnung des Sensors in guter akustischer Kopplung zur Emissionsquelle angestrebt, z.B. direkt an der Wanne des Batteriespeichers, d.h. der Zelle. Abhängig von der Zellengröße und dem gewünschten Grad der Informationstiefe (z.B. örtliche Auflösung der Emissionsquelle, d.h. wo steht das Wasser), kann es auch vorteilhaft sein, mehrere Sensoren zu verbauen.
Wird die Entstehung von Wasserstoff detektiert, kann z.B. ein Warnsignal an den Fahrer ausgegeben werden, und es können weitere Sicherheitsmaßen bis hin zur Stilllegung des Fahrzeuges ergriffen werden.
Alternativ oder zusätzlich ist die Vorrichtung, das System und/oder Verfahren zur Detektion eines Flüssigkeits- und/oder Wassereinbruchs, welcher z.B. durch eine Leckage im Kühlsystem verursacht werden kann, ausgebildet. Vorzugsweise können dabei bereits geringe Mengen austretender Kühlflüssigkeit bzw. eindringenden Wassers erkannt werden.
Um die Sensitivität weiter zu erhöhen, wird vorzugsweise nicht oder nicht nur das Geräusch des Austritts bzw. Eindringens des Wassers bzw. der Flüssigkeit selbst, sondern das Auflösen eines Opfermaterials akustisch detektiert. Als Opfermaterial werden beispielsweise Substanzen oder Substanzgemische verwendet, die sich bei Kontakt mit Flüssigkeit bzw. Wasser unter Freisetzung von Gas, insbesondere in Form von Gasbläschen, zumindest teilweise auflösen und dabei - wie etwa eine Brausetablette - sprudeln.
Das Sprudeln wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass ein Salz der Kohlensäure (erste Komponente) durch Reaktion mit einer Säure (zweite Komponente) in Gegenwart von Wasser Kohlenstoffdioxid (CO₂) abspaltet. Dadurch wird der Lösungsvorgang des Materials stark beschleunigt. Die chemische Reaktion ist prinzipiell vorzugsweise dieselbe oder ähnlich wie bei Brausepulver oder Backpulver. Als kohlenstoffdioxidliefernde Komponente können z.B. Natriumcarbonate (Natriumcarbonat und Natriumhydrogencarbonat) oder Kaliumcarbonate verwendet werden, die freisetzende Komponente ist vorzugsweise eine feste Säure wie etwa Zitronensäure, Weinsäure oder Äpfelsäure.
Vorzugsweise wird auch bei dieser Ausführung, analog zur oben beschriebenen akustischen Detektion der Wasserstoffbildung, das Platzen von Gasblasen akustisch detektiert.
Alternativ oder zusätzlich zum sprudelnden Auflösen eines Opfermaterials wäre es auch möglich, als Schallquelle bzw. schallemittierendes Element eine Kombination aus einem ersten und zweiten Material vorzusehen, wobei das erste Material dazu eingerichtet ist, bei Kontakt mit Flüssigkeit bzw. Wasser aufzuquellen und dabei Druck auf ein weiteres Material auszuüben, was mit einem Sensor akustisch detektiert werden kann. Auch in diesem Falle würde die Sensitivität des Sensors auf das Ereignis des Wasseraustritts weiter erhöht. Um eine Ortsauflösung zu erreichen, könnten in diesem Fall auch verschiedene Opfermaterialien bzw. Opfermaterialkombinationen mit jeweils eigener Charakteristik bezüglich Schallemission eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist die Vorrichtung, das System und/oder Verfahren dazu ausgebildet, einen kritischen Überdruck in der Zelle zu detektieren, bevor ein sog. Venting stattfindet. Typischerweise steigt bei einem Überladen der Zelle der Druck in der Zelle in kurzer Zeit sehr stark an und verweilt während des Überladens auf einem hohen Niveau, bis schließlich die Berstmembran reißt und Gas aus der Zelle entweichen kann (Venting). Grundsätzlich ist es möglich, erst das Geräusch des Aufplatzens der Berstmembran akustisch zu detektieren. Das Überladen der Zellen wird dabei zu einem relativ späten Zeitpunkt erfasst. Alternativ oder zusätzlich können aber auch Maßnahmen vorgesehen sein, um ein für den akustischen Sensor bereits vor Öffnen der Berstmembran detektierbares Signal zu generieren. Vorzugsweise wird hierzu die Druckausgleichseinrichtung, wie z.B. die Berstscheibe oder Berstmembran, in einer Weise modifiziert, dass bereits bei einem Druckniveau deutlich unterhalb des Auslösedrucks ein entsprechendes Geräusch generiert wird. Dies kann über mehrere konstruktive Maßnahmen erreicht werden, welche nachfolgend beispielhaft näher beschrieben werden.
Vorzugsweise wird eine der Hauptmembran (Berstmembran) vorgelagerte Zwischenmembran eingebracht, die bereits bei niedrigeren Drücken - d.h. Drücken niedriger als der Druck, bei welchem die Berstmembran reißt - ausgelöst wird. Das Auslösegeräusch kann dann über einen akustischen Sensor detektiert werden.
Hierbei ist es ausreichend, wenn pro Modul, zu welchem mehrere Zellen zusammengefasst sind, ein Sensor eingesetzt wird, da die Schallwellen ausreichend gut über die Zellen und auch Modulkomponenten wie etwa Zuganker geleitet werden. Vorzugsweise sind die Module über einen elektrischen Isolator an das Batteriegehäuse so angebunden, dass der Körperschall aus den Modulen gut in das Batteriegehäuse übertragen wird und damit ein Sensor pro Modul ausreicht.
Alternativ oder zusätzlich kann die Berstmembran, bezogen auf den Innenraum der Zelle bzw. des Gehäuses, konvex ausgebildet sein. Die Berstmembran ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass sie unterhalb eines ersten Auslösedruckes p1 in Richtung Zelleninnenraum konvex ausgeprägt ist. Bei Überschreiten des ersten Auslösedrucks p1 flippt die Berstmembran (d.h. sie klappt um) und ist nun, bezogen auf den Zellinnenraum, konkav geformt, d.h. ihre Wölbung weist nach außen. Durch das Flippen entsteht ein Geräusch, welches durch den akustischen Sensor detektiert werden kann. Aus den entsprechenden Sensorsignalen kann, vorzugsweise nach Auswertung der Signale in der Steuerungseinrichtung, auf ein Überschreiten eines ersten kritischen Drucks in der Zelle geschlossen werden. Vorzugsweise ist die Berstmembran ferner so ausgelegt, dass sie bei Überschreiten eines zweiten kritischen Drucks p2 unter Erzeugung eines zweiten charakteristischen Geräusches reißt, welches ebenfalls detektiert werden kann. Anhand der entsprechenden Sensorsignale kann darauf geschlossen werden, dass ein Venting der Zelle erfolgt ist.
Eine noch feinere Abstufung der Drücke kann vorzugsweise über eine Kombination der vorstehend beschriebenen beiden Maßnahmen (Zwischenmembran, Übergang von konvexer zu konkaver Form) erreicht werden.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung, das System und/oder Verfahren zur Detektion von Überströmen ausgebildet. Vorzugsweise wird dabei nicht der Strom direkt, sondern die Geräuschemission bei Erwärmung eines Leiters (erstes Material) bei diesem Überstrom detektiert. Um die Sensitivität zu erhöhen, wird dabei vorzugsweise ein zweites Material mit dem Leiter in Verbindung gebracht, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials deutlich unterschiedlich von dem des Leiters ist. Aufgrund der unterschiedlich ausgeprägten thermischen Ausdehnung der beiden Materialien kommt es im Falle von Überströmen zu einer Emission von Schallwellen, die vom akustischen Sensor erfasst werden können. Verstärkt werden kann der Effekt durch eine gezielte Strukturierung der in Kontakt tretenden Oberflächen.
Vorzugsweise weist das System eine Ausgabeeinrichtung auf, wie z.B. einen Lautsprecher und/oder ein Display, welche dazu eingerichtet ist, die abgeleitete Zustandsinformation auditiv und/oder visuell auszugeben.
Bevorzugte bzw. alternative Aspekte, Merkmale, Funktionsweisen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgende zusammengefasst.
Eine Erkennung von Wasserstoff-Entstehung erfolgt vorzugsweise durch Detektion von Geräuschen, die infolge einer direkten Elektrolyse von Wasser entstehen.
Eine Erkennung von Wassereinbruch erfolgt vorzugsweise durch Detektion von Geräuschen, die beim Auflösen, Aufquellen o.ä. von Opfermaterialien entstehen.
Die Berstmembran wird vorzugsweise so ausgeführt, dass diese durch den Zelleninnendruck vorerst „geflippt“ wird - z.B. von einer konkaven auf eine konvexe Ausprägung -, wobei ein typisches Geräusch entsteht, das erfasst wird.
Die Berstmembran wird vorzugsweise um eine weitere Membran ergänzt, welche auf unterschiedlich hohe Drücke reagiert (flippen, brechen, reißen, etc.), bevor die Hauptmembran reagiert.
Vorzugsweise werden bei einem Venting der Zelle typische Geräusche beim Ausgasen erzeugt, insbesondere durch Anpassung der Struktur der Berstmembran, die vom Schallsensor detektiert werden.
Vorzugsweise ist durch Detektion von Geräuschen beim Phasenübergang, bei einem Aufquellen der Elektroden, einem Strukturabriss etc. innerhalb der Zelle eine Erkennung des Ladezustands und/oder einer Überspannung möglich.
Eine Erkennung des Ladezustands und/oder einer Überspannung ist vorzugsweise auch durch Detektion von Geräuschen möglich, die ein zusätzlich eingebrachtes Element (z.B. Partikel, Dotierung, Bauteil) bei einer bestimmten Spannungsschwelle abgibt.
Vorzugsweise können Opfermaterialien erkannt werden, welche z.B. im Separator, den Elektroden, den Zellen und/oder den Zellenzwischenräumen verbaut sind und auf Druck, Strom, Spannung akustisch reagieren.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Figur. Es zeigt:

1 ein Beispiel eines Systems zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtu ng;
2 ein erstes Beispiel eines schallemittierenden ersten Elements;
3 ein zweites Beispiel eines schallemittierenden ersten Elements; und
4 ein Beispiel eines schallemittierenden dritten Elements.

1 zeigt Beispiel eines Systems 20 zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung 1, die ein, insbesondere geschlossenes und/oder luftdichtes und/oder wasserdichtes, Gehäuse 2 aufweist, in welchem sich mindestens eine elektrochemische Energiespeicherzelle 3, beispielsweise in Form einer Lithium-Ionen-Zelle, befindet. Auch wenn im vorliegenden Beispiel aus Anschaulichkeitsgründen lediglich eine Energiespeicherzelle 3 dargestellt ist, können im Gehäuse 2 auch zwei oder mehrere Energiespeicherzellen 3 vorgesehen sein. Vorzugsweise können im Gehäuse 2 zwei oder mehrere Energiespeicherzellen zu einem sog. Modul zusammengefasst sein. An der mindestens einen Energiespeicherzelle 3 befinden sich elektrische Anschlüsse 3a, 3b, welche auch als Terminals bezeichnet werden und durch eine Wand des Gehäuses 2 hindurch und von dieser elektrisch isoliert nach außen geführt sind.
Die Energiespeichervorrichtung 1 weist ferner eine oder mehrere schallemittierende oder/oder akustisch aktive Elemente 4 bis 6 auf, die dazu eingerichtet sind, unter bestimmten Voraussetzungen und/oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen und/oder Zuständen und/oder Zustandsänderungen in der Zelle 3 Schallwellen auszusenden.
Beispielsweise ist ein erstes Element 4 in eine Wand des Gehäuses 2 integriert und dazu ausgestaltet, Schallwellen auszusenden, wenn ein im Gehäuse 2 vorherrschende Druck bzw. Überdruck einen bestimmten Druckwert erreicht oder überschreitet. Das erste Element 4 kann dazu beispielsweise als sog. Berstmembran oder Berstscheibe ausgestaltet sein, welche bei Überschreiten eines bestimmten Überdrucks innerhalb des Gehäuses 2 reißt und mit dem Reißen einhergehende Geräusche emittiert.
Alternativ oder zusätzlich zur Ausbildung als Berstmembran bzw. -scheibe kann das erste Element 4 dazu ausgestaltet sein, seine Form unter Aussendung von Schallwellen zu ändern, wenn der Überdruck im Gehäuse 2 einen bestimmten Druckwert erreicht oder überschreitet. Dies wird weiter unten im Zusammenhang mit den 2 und 3 noch näher erläutert.
Alternativ oder zusätzlich kann das erste Element 4' auch direkt an der Zelle 3 angeordnet bzw. angebracht und dazu eingerichtet sein, Schallwellen auszusenden, wenn die Zelle 3 ihre Form und/oder Größe verändert, etwa indem sie sich ausdehnt oder wölbt. Das erste Element 4' kann dabei z.B. als Berstmembran oder Berstscheibe ausgestaltet sein, die bei einer bestimmten Formänderung der Zelle 3 reißt und damit einhergehende Geräusche emittiert. Alternativ oder zusätzlich zur Ausbildung als Berstmembran bzw. -scheibe kann das erste Element 4' dazu ausgestaltet sein, seine Form unter Aussendung von Schallwellen zu ändern, wenn sich die Form und/oder Größe der Zelle 3 über ein bestimmtes Maß hinaus ändert. Die Erläuterungen weiter unten im Zusammenhang mit den 2 und 3 gelten hierbei entsprechend.
Alternativ oder zusätzlich zum ersten Element 4 kann ein zweites Element 5 vorgesehen sein, das bei Kontakt mit einer Flüssigkeit, wie etwa in das Gehäuse 2 bzw. die Zelle 3 eindringendes Wasser, Geräusche erzeugt. Das zweite Element 5 kann beispielsweise als sog. Opfermaterial ausgebildet sein, welches sich bei Kontakt mit der Flüssigkeit unter Bildung von Gasblasen oder -bläschen, d.h. durch Sprudeln, zumindest teilweise auflöst, wobei bei der Bildung und/oder dem Zerplatzen der Gasblasen Schallwellen emittiert werden.
Alternativ oder zusätzlich zum ersten Element 4 und/oder zweiten Element 5 kann ein drittes Element 6 vorgesehen sein, das mit einem Stromleiter in der Zelle 3, im gezeigten Beispiel mit dem Ableiter 3b, zumindest teilweise in mechanischem Kontakt steht und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Stromleiters bzw. Ableiters 3b verschieden ist. Im Falle eines Überstroms durch den Ableiter 3b erwärmt sich dieser und dehnt sich stärker oder weniger stark aus als das dritte Element 6, was z.B. aufgrund von aneinander reibenden, gegebenenfalls zusätzlich aufgerauten, Kontaktflächen zwischen dem Ableiter 3b und dem drittem Element 6 eine Geräuschbildung zur Folge hat. Dies wird weiter unten im Zusammenhang mit 4 weiter erläutert.
Alternativ oder zusätzlich zu einem dritten Element 6, das mit dem Ableiter 3b in Kontakt steht, kann als schallemittierendes Element direkt ein Leiter in der Zelle 3 bzw. im Gehäuse 2, also z.B. auch der innerhalb des Gehäuses 2 befindliche Abschnitt des Ableiters 3b, verwendet werden. Wird dieser heiß, kommt es direkt am Leiter zum „Kochen“ des Elektrolyten, so dass hier auch entsprechende Gasblasen entstehen, die dann Geräusche emittieren, welche detektiert werden.
Die Energiespeichervorrichtung 1 weist ferner mindestens einen Schallsensor 8, 8' auf, der dazu eingerichtet ist, die von mindestens einem schallemittierenden Element 4 bis 6 emittierten Schallwellen zumindest teilweise zu detektieren und in entsprechende Sensorsignale umzuwandeln.
Beispielsweise ist ein erster Schallsensor 8 vorgesehen, der vorzugsweise in der Nähe des ersten Elements 4 und/oder dritten Elements 6 angeordnet ist, um die vom ersten bzw. dritten Element 4 bzw. 6 ausgesandten Schallwellen möglichst effizient zu detektieren. Alternativ oder zusätzlich kann ein zweiter Schallsensor 8' vorgesehen sein, der vorzugsweise in der Nähe des zweiten Elements 5 angeordnet ist, beispielsweise an der Außenwand der Zelle 3, um die vom zweiten Element 5 ausgesandten Schallwellen möglichst effizient zu detektieren.
Die von dem mindestens einen Schallsensor 8, 8' bei der Erfassung der Schallwellen erzeugten Sensorsignale werden vorzugsweise an eine Steuerungseinrichtung 9 zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung weitergeleitet.
Die Steuerungseinrichtung 9 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Informationen, die den Zustand der Zelle 3 betreffen oder charakterisieren, aus den Sensorsignalen abzuleiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung 9 dazu eingerichtet sein, basierend auf den Sensorsignalen und/oder auf den daraus abgeleiteten Informationen eine Steuerung des Betriebs der Zelle 3, etwa eines Lade- und/oder Entladevorgangs, vorzunehmen.
Vorzugsweise ist ferner eine Ausgabeeinrichtung 10 vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, die von der Steuereinrichtung 9 abgeleiteten Informationen akustisch und/oder visuell an eine Bedienperson, z.B. an den Fahrer des Fahrzeugs, auszugeben.
Vorzugsweise ist es auch möglich, die Entstehung von Wasserstoff zu detektieren. Gelangt etwa durch eine Undichtigkeit im Kühlsystem (nicht dargestellt) Wasser bzw. ein Wasser-Glykol-Gemisch in das Gehäuse 2, kann es an stromführenden Teilen, wie z.B. an bzw. in der Zelle 3, zur Entstehung von Wasserstoff durch Elektrolyse kommen. Um die Entstehung von Wasserstoff und/oder die Bildung eines Knallgasgemisches aus Sauerstoff und Wasserstoff rechtzeitig zu erkennen und/oder zu verhindern, wird die Gasbildung im Gehäuse 2 durch zumindest einen der Sensoren 8, 8' akustisch erfasst. Vorzugsweise ist der Sensor 8, 8'dazu eingerichtet, die mit einem Platzen der entstehenden Gasblasen einhergehende Schallemission zu detektieren.
Bei dieser Ausführung stellen stromführende Teile, wie etwa Ableiter 3a, 3b oder andere elektrische Leiter in der Zelle 3, an denen Wasserstoffblasen entstehen können, schallemittierende Elemente im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.
Die Steuerungseinrichtung 9 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Dauer und/oder Intensität der erfassten Schallereignisse zu bestimmen und anhand der Dauer und/oder Intensität auf ein Platzen von Gasbläschen und damit die Entstehung von Wasserstoff zu schließen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung 9 auch dazu eingerichtet sein, spektrale Eigenschaften der erfassten akustischen Wellen zu ermitteln, etwa die Breite und/oder Lage bestimmter spektraler Anteile, um eine Wasserstoffbildung zu erkennen und/oder von anderen Geräuschquellen zu unterscheiden.
Vorzugsweise ist der Sensor 8, 8'direkt an der Außenwand der Zelle 3 angebracht, um eine gute akustische Kopplung zum Zelleninnern zu erreichen. Abhängig von der Zellengröße und/oder dem gewünschten Grad der Informationstiefe (z.B. örtliche Auflösung der Emissionsquelle, d.h. wo steht das Wasser), kann es auch vorteilhaft sein, mehrere Sensoren zu verbauen, wie z.B. ein Sensorarray.
Wird durch Auswertung der Sensorsignale in der Steuerungseinrichtung 9 darauf geschlossen, dass in der Zelle 3 Wasserstoff gebildet wird bzw. worden ist, kann über die Ausgabeeinrichtung 10 ein Warnsignal an den Fahrer ausgegeben werden und/oder es können weitere Sicherheitsmaßen bis hin zur Stilllegung des Fahrzeuges gesteuert werden.
2 zeigt ein erstes Beispiel eines schallemittierenden ersten Elements 4, das in eine obere Wand des Gehäuses 2 integriert ist. Wie bereits oben im Zusammenhang mit 1 erläutert wurde, kann das erste Element 4' auch direkt in die Zelle 3 integriert werden. Wie bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind auch im vorliegenden Beispiel die beiden, durch die Gehäusewand nach außen geführten elektrischen Ableiter 3a, 3b zu sehen, welche durch elektrische Isolatoren 7 von der Gehäusewand isoliert sind.
Das erste Element 4 weist im vorliegenden Beispiel eine innere Berstmembran 4a und eine äußere Berstmembran 4b auf. Die innere Berstmembran 4a ist vorzugsweise so eingerichtet, dass sie eine, vom Gehäuseinneren aus betrachtet, konvexe Form zeigt, wenn der Überdruck im Gehäuse 2 einen ersten Druckwert p1 nicht überschreitet, und in eine, vom Gehäuseinneren aus betrachtet, konkave Form übergeht, springt oder umklappt („flippt“), wenn der erste Druckwert p1 überschritten wird. Das dabei entstehende Geräusch kann von einem akustischen Sensor (nicht dargestellt), wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, erfasst und ausgewertet werden.
Vorzugsweise kann die innere Berstmembran 4a ferner so ausgestaltet sein, dass diese bei Überschreiten eines zweiten Druckwertes p2, welcher höher ist als der erste Druckwert p1, reißt oder zerbricht. Auch das hierbei entstehende Geräusch kann von einem akustischen Sensor (nicht dargestellt), wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, erfasst und ausgewertet werden.
Die äußere Berstmembran 4b ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass diese bei Überschreiten eines dritten Druckwertes p3, welcher höher ist als der zweite Druckwert p2, reißt oder zerbricht. Auch das hierbei entstehende Geräusch kann von einem akustischen Sensor (nicht dargestellt), wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, erfasst und ausgewertet werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel können auf einfache und zuverlässige Weise mindestens vier verschiedene Zustände der Zelle 3, die sich durch unterschiedlich hohe Drücke innerhalb des Gehäuses 3 manifestieren, erfasst werden, nämlich ein „normaler“ Zustand (Druck kleiner als p1), ein erster „kritischer“ Zustand (Druck größer als p1, innere Berstmembran 4a flippt), ein zweiter „kritischer“ Zustand (Druck größer als p2, innere Berstmembran 4a reißt) und ein dritter „kritischer“ Zustand (Druck größer als p3, äußere Berstmembran 4b reißt).
3 zeigt ein zweites Beispiel eines schallemittierenden ersten Elements 4, das in eine obere Wand des Gehäuses 2 integriert ist. Bezüglich der durch die Gehäusewand nach außen geführten elektrischen Ableiter 3a, 3b gelten die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit 2 entsprechend.
Das erste Element 4 weist im vorliegenden Beispiel nur eine Berstmembran 4c auf, die vorzugsweise so eingerichtet ist, dass sie, vom Gehäuseinneren aus betrachtet, konvexe Form zeigt, wenn der Überdruck im Gehäuse 2 einen ersten Druckwert p1 nicht überschreitet, und in eine, vom Gehäuseinneren aus betrachtet, konkave Form springt oder umklappt („flippt“), wenn der erste Druckwert p1 überschritten wird. Das dabei entstehende Geräusch kann von einem akustischen Sensor (nicht dargestellt), wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, erfasst und ausgewertet werden.
Die Berstmembran 4c ist vorzugsweise ferner so ausgestaltet, dass diese bei Überschreiten eines zweiten Druckwertes p2, welcher höher ist als der erste Druckwert p1, reißt oder zerbricht. Auch das hierbei entstehende Geräusch kann von einem akustischen Sensor (nicht dargestellt), wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, erfasst und ausgewertet werden.
Analog zu dem in 2 gezeigten Beispiel können bei dem in 3 gezeigten Beispiel auf besonders einfache und zuverlässige Weise mindestens drei verschiedene Zustände der Zelle 3, die sich durch unterschiedlich hohe Drücke innerhalb des Gehäuses 3 manifestieren, erfasst werden.
Alternativ ist es aber auch möglich, die Berstmembran 4c im Wesentlichen so auszugestalten, dass sie eine im Wesentlichen ebene Form (nicht dargestellt) hat, wenn der Überdruck im Gehäuse 2 einen ersten Druckwert p1 nicht überschreitet, und bei Überschreiten des ersten Druckwertes p1 reißt oder zerbricht. Das hierbei entstehende Geräusch kann von einem akustischen Sensor (nicht dargestellt), wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, erfasst und ausgewertet werden.
4 zeigt ein Beispiel eines schallemittierenden dritten Elements 6, das zumindest teilweise in Kontakt ist mit einem stromführenden Leiter, wie z.B. einem Ableiter 3b der Zelle 3 (siehe 1) und/oder oder einem anderen elektrischen Leiter 3c in der Zelle 3 bzw. im Gehäuse.
Das dritte Element 6 besteht aus einem und/oder beinhaltet ein Material, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Leiters 3b, 3c vorzugweise unterscheidet. Erwärmt sich der Leiter 3b, 3c aufgrund von etwa beim Laden und/oder Entladen der Zelle auftretenden Überströmen, so wird das mit dem Leiter 3b, 3c in Kontakt stehende dritte Element 6 ebenfalls erwärmt. Wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dehnen sich der Leiter 3b, 3c und das dritte Element 6 jedoch unterschiedlich stark aus, was zu einer Relativbewegung der beiden Kontaktflächen zueinander und einer damit einhergehenden Geräuschbildung führt, die von einem akustischen Sensor (nicht dargestellt), wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, erfasst und ausgewertet werden kann.
Um die Geräuschbildung zu begünstigen, kann zumindest eine der Kontaktflächen, an denen sich der Leiter 3b, 3c einerseits und das dritte Element 6 andererseits berühren, aufgeraut werden und/oder mit einer Oberflächenstruktur versehen werden, wie in 4 durch gezackt dargestellte Kontaktflächen angedeutet ist.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeichervorrichtung
2: Gehäuse
3: Energiespeicherzelle
3a, 3b: Ableiter
3c: elektrischer Leiter
4: erstes schallemittierendes Element
4a: innere Berstmembran
4b: äußere Berstmembran
4b: Berstmembran
5: zweites schallemittierendes Element
6: drittes schallemittierendes Element
7: Isolator
8, 8': Schallsensor
9: Steuerungseinrichtung
10: Ausgabeeinrichtung
20: System

Claims

Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) mit - einem Gehäuse (2), - wenigstens einer elektrochemischen Energiespeicherzelle (3), die in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, - wenigstens einem schallemittierenden Element (4 - 6), welches dazu eingerichtet ist, akustische Wellen zu emittieren, wenn sich der Zustand der Energiespeichervorrichtung (1), insbesondere der Zustand der Energiespeicherzelle (3), in einer bestimmten Weise ändert, und - einem Sensor (8, 8'), welcher dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der vom schallemittierenden Element (4 - 6) emittierten akustischen Wellen zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal zu erzeugen.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine schallemittierende Element (4 - 6) dazu eingerichtet ist, akustische Wellen zu emittieren, wenn sich wenigstens eine den Zustand der Energiespeichervorrichtung (1) charakterisierende Zustandsgröße wie folgt ändert: - die Zellenspannung wenigstens einer Energiespeicherzelle (3) erreicht, überschreitet oder unterschreitet einen bestimmten Spannungsschwellenwert und/oder - ein durch die Energiespeicherzelle (3) fließender elektrischer Strom erreicht, überschreitet oder unterschreitet einen bestimmten Stromschwellenwert und/oder - ein im Gehäuse (2) und/oder in der Energiespeicherzelle (3) herrschender Druck erreicht, überschreitet oder unterschreitet einen bestimmten Druckschwellenwert (p1, p2, p3).
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das schallemittierende Element (4, 4a, 4b, 4c) am Gehäuse (2) angeordnet und dazu eingerichtet ist, sich bei Überschreiten eines im Gehäuse (2) herrschenden Überdrucks unter Emission akustischer Wellen mechanisch zu verändern, insbesondere sich zu verformen, zu reißen und/oder zu brechen.
Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei das schallemittierende Element (4, 4a, 4b, 4c) dazu eingerichtet ist, bei Überschreiten des Überdrucks seine Form sprunghaft zu ändern.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das schallemittierende Element (4, 4a, 4b, 4c) dazu eingerichtet ist, bei Überschreiten des Überdrucks seine Form durch einen sprunghaften Übergang von einer ersten Form zu einer zweiten Form zu ändern.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die erste Form einen im Wesentlichen ebenen oder konkaven Verlauf und die zweite Form einen konvexen Verlauf aufweist.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das schallemittierende Element (4) als Druckausgleichseinrichtung ausgebildet ist, welche dazu eingerichtet ist, nach Überschreiten eines innerhalb des Gehäuses (2) vorherrschenden Überdrucks zumindest teilweise gasdurchlässig zu werden, so dass Gas aus dem Gehäuse (2) entweichen kann.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei die Druckausgleichseinrichtung als Berstscheibe und/oder eine Berstmembran (4a, 4b, 4c) ausgebildet ist, welche nach Überschreiten des Überdrucks durch Rissbildung und/oder Zerspringen zumindest teilweise gasdurchlässig wird.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine schallemittierende Element (5, 6) durch wenigstens eines der folgenden gegeben ist: - ein zusätzlich eingebrachtes Element in Form von Partikeln, einer Dotierung und/oder eines Bauteils (6), - ein Opfermaterial (5), das insbesondere im Separator und/oder in den Elektroden der Energiespeicherzelle (3) und/oder in Zwischenräumen zwischen mehreren Energiespeicherzellen (3) vorgesehen ist.
System (20) zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) mit - einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und - einer Steuerungseinrichtung (9), welche dazu eingerichtet ist, die elektrochemische Energiespeichervorrichtung (1) basierend auf dem Sensorsignal zu steuern und/oder wenigstens eine den Betriebszustand der Energiespeicherzelle (3) charakterisierende Zustandsinformation aus dem Sensorsignal abzuleiten.
System (20) nach Anspruch 10, mit einer Ausgabeeinrichtung (10), welche dazu eingerichtet ist, die abgeleitete Zustandsinformation auditiv und/oder visuell auszugeben.
Verfahren zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1), welche ein Gehäuse (2), wenigstens eine im Gehäuse (2) angeordnete elektrochemische Energiespeicherzelle (3) und wenigstens ein schallemittierendes Element (4 - 6) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, akustische Wellen zu emittieren, wenn sich der Zustand der Energiespeichervorrichtung (1), insbesondere der Zustand der Energiespeicherzelle (3), in einer bestimmten Weise ändert, mit folgenden Schritten: - Erfassen zumindest eines Teils der vom schallemittierenden Element (4 - 6) emittierten akustischen Wellen und Erzeugen eines entsprechenden Sensorsignals; und - Steuern der wenigstens einen elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) basierend auf dem Sensorsignal und/oder auditives und/oder visuelles Ausgeben wenigstens einer aus dem Sensorsignal abgeleiteten Information.
Fahrzeug mit wenigstens einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder einem System (20) zum Überwachen einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 11.