DE102018211508A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Durchführen von Messungen an Batteriezellen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Durchführen von Messungen an Batteriezellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, die ein Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle vorliegenden ersten Spannung ermöglicht, aufweisend:- einen Schwingkreis mit einer Spule und einem Bauteil, dessen elektrische Kapazität von einer an diesem Bauteil anliegenden Spannung abhängt, und- eine Referenzelektrode, wobei die elektrische Schaltung eingerichtet ist, so innerhalb eines Gehäuses der Batteriezelle angeordnet zu werden, dass die erste Spannung, die zwischen einer Batteriezellenelektrode und der Referenzelektrode vorliegt, zumindest teilweise an dem Bauteil anliegt und dass eine daraus resultierende Resonanzfrequenz des Schwingkreises über ein Magnetfeld der Spule außerhalb des Gehäuses detektierbar ist.Das Bauteil kann eine Varaktordiode sein. Ein Verfahren, eine Batteriezelle und eine Anordnung mit einer weiteren elektrischen Schaltung außerhalb des Batteriezellengehäuses zum Auslesen der innerhalb einer Batteriezelle vorliegenden ersten Spannung sind auch offenbart.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen von Messungen an Batteriezellen. Die Erfindung betrifft insbesondere das Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle oder Batterie vorliegenden Spannung.
  • Die Erfindung findet insbesondere bei Fahrzeugbatterien (und darin enthaltenen Batteriezellen) Anwendung, wobei es sich hier beispielsweise um Hochvoltspeicher, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden, handeln kann, aber auch um herkömmliche Fahrzeugbatterien, die nicht für den eigentlichen Antrieb des Fahrzeugs konzipiert sind, sondern beispielsweise das Starten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs ermöglichen. Obwohl die Verwendung im Zusammenhang mit Fahrzeugbatterien bevorzugt ist, ist die Erfindung in dieser Hinsicht nicht notwendigerweise eingeschränkt und kann im Prinzip auch bei anderen Batterien und Batteriezellen Anwendung finden.
  • Aus verschiedenen Gründen ist es oft wünschenswert, die Spannung einer Batteriezelle oder das Halbzellenpotential einer Halbzelle in einer Batteriezelle zu ermitteln. Es ist bereits bekannt, dass zu diesem Zweck eine oder mehrere Referenzelektroden in die Batteriezelle eingebracht werden können, damit die Batteriezelle sicherer und auch im Sinne einer höheren Leistung und - bei der Verwendung als Antrieb für ein Kraftfahrzeug - einer größeren Reichweite betrieben werden kann. Beim Betrieb dieser Referenzelektroden werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn der Eingangsstrom der Messeinrichtung gering ist, da ansonsten das Potential eventuell nicht stabil bleibt und die Referenzelektrode wegdriftet. Um dieses Problem zu lösen, wird beispielsweise in US 8,586,222 ein Elektrodenarray mit mehreren Referenzelektroden vorgeschlagen.
  • Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass bei den bisher bekannten Ansätzen, bei denen eine Referenzelektrode oder mehrere Referenzelektroden für das Ermitteln einer Spannung innerhalb einer Batteriezelle verwendet werden, ein zusätzliches Terminal nötig ist, d. h. zusätzlich zu den normalerweise vorhandenen zwei Terminals (Plus- und Minuspol der Batteriezelle). In diesem Zusammenhang hat der Erfinder erkannt, dass für das zusätzliche Terminal auch eine zusätzliche elektrische Verbindung durch das Batteriezellengehäuse geführt werden muss, damit die Spannung im Inneren der Batteriezelle, die durch die Referenzelektrode ermittelt werden soll, durch geeignete Schaltungen oder Messgeräte außerhalb der Batteriezelle ausgelesen werden kann. In diesem Zusammenhang hat der Erfinder ferner erkannt, dass die zusätzliche elektrische Verbindung durch das Batteriezellengehäuse zu höheren Gehäusekosten, einer Schwächung des Gehäuses und zu mehr Bauraumbedarf führen kann. Insbesondere im Fall eines Referenzelektroden-Arrays (wie in der US 8,586,222 offenbart) ist es notwendig, die einzelnen Referenzelektroden des Arrays einzeln anzusteuern und nachzuladen, so dass hier sogar mehrere elektrische Verbindungen durch das Batteriezellengehäuse nötig sind.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative, insbesondere verbesserte, Vorrichtung und ein alternatives, insbesondere verbessertes, Verfahren zum Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle vorliegenden Spannung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung, eine Batteriezelle, eine Anordnung, eine Batterie und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, die ein Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle vorliegenden ersten Spannung ermöglicht, aufweisend:
    • - einen Schwingkreis mit einer Spule und einem Bauteil, dessen elektrische Kapazität von einer an diesem Bauteil anliegenden Spannung abhängt, und
    • - eine Referenzelektrode,
    wobei die elektrische Schaltung eingerichtet ist, so innerhalb eines Gehäuses der Batteriezelle angeordnet zu werden, dass die erste Spannung, die zwischen einer Batteriezellenelektrode und der Referenzelektrode vorliegt, zumindest teilweise an dem Bauteil anliegt und dass eine daraus resultierende Resonanzfrequenz des Schwingkreises über ein Magnetfeld der Spule außerhalb des Gehäuses detektierbar ist.
  • Obwohl die Schaltung für das Ermitteln einer Spannung innerhalb einer Batteriezelle vorgesehen ist, kann die Schaltung auch separat bereitgestellt werden zum späteren Einbau in einer Batteriezelle.
  • Dadurch, dass die Kapazität des Bauteils von der daran anliegenden Spannung abhängt, kann auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises von der an dem Bauteil anliegenden Spannung abhängen, weil die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises insbesondere von der elektrischen Kapazität und der Induktivität von Bauteilen innerhalb des Schwingkreises abhängt. Durch eine geeignete Ausleseschaltung, die insbesondere außerhalb der Batteriezelle angeordnet ist, kann das Magnetfeld der Spule außerhalb des Gehäuses der Batteriezelle detektiert werden. Aus dem detektierten Magnetfeld kann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt werden, was wiederum Rückschlüsse auf die an dem Bauteil anliegende Spannung zulässt. Die Spannung, die innerhalb der Batteriezelle zwischen einer Batteriezellenelektrode (Anode oder Kathode) und der Referenzelektrode vorliegt und hier zur besseren Unterscheidung „erste Spannung“ genannt wird, liegt nicht notwendigerweise direkt (also ungeteilt) an dem Bauteil an. Stattdessen kann die erste Spannung beispielsweise durch einen Spannungsteiler geteilt werden, wobei ein Teil dieser ersten Spannung dann an dem Bauteil anliegt. Wenn bekannt ist, in welchem Verhältnis die erste Spannung geteilt wird, kann aus der ermittelten Spannung, die an dem Bauteil anliegt, die erste Spannung berechnet werden. Letztendlich ist es also möglich, das Magnetfeld außerhalb des Gehäuses der Batteriezelle zu detektieren, daraus die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu ermitteln, daraus die an dem Bauteil anliegende Spannung zu ermitteln und daraus die erste Spannung innerhalb der Batteriezelle zu ermitteln. Die so ermittelte erste Spannung kann dann für das Batterie(zellen)management benutzt werden, beispielsweise um ein Überladen der Batteriezelle zu verhindern, ein Aufladen der Batteriezelle zu steuern, den Ladezustand der Batteriezelle zu überwachen usw.
  • Nach einer Ausführung weist das Bauteil eine Diode auf, insbesondere eine Varaktordiode.
  • Eine Varaktordiode eignet sich besonders für eine erfindungsgemäße Schaltung, weil sie erstens eine von der angelegten Spannung abhängige Kapazität aufweist und weil zweitens das Diodenverhalten vorteilhaft zu einem Nachladen der Referenzelektrode benutzt werden kann, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Andere Bauteile, deren Kapazität von einer an dem Bauteil anliegenden Spannung abhängt, wären auch denkbar.
  • Nach einer Ausführung weist der Schwingkreis einen Kondensator auf, der mit dem Bauteil in Serie geschaltet ist. Dieser ist dazu geeignet, einen möglichen Kurzschluss über die Spule des Schwingkreises zu verhindern.
  • Nach einer Ausführung weist ein Halbzellenpotential eines Materials der Referenzelektrode ein Plateau auf. Hierdurch kann ein stabiler Betrieb über relativ große Bereiche des Ladungszustands erreicht werden.
  • Nach einer Ausführung kann die Referenzelektrode beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen:
    • - Übergangsmetalloxide wie z.B. LiCoO2
    • - Mischoxide wie z.B. LiNi1-yCoyO2
    • - Phosphate wie z.B. LiMPO4 wobei M z.B. Fe, Mn, Co sein kann
    • - Metalle
    und insbesondere
    • - Lithiumeisenphosphat
    • - Lithiumtitanat
    • - Lithiummanganphosphat
    • - Lithium-Gold-Legierung
    • - Lithium-Aluminium-Legierung.
  • Das Halbzellenpotential solcher Materialien weist ein für die vorliegende Erfindung geeignetes Plateau auf.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle aufweisend:
    • - eine erste und eine zweite Batteriezellenelektrode innerhalb eines Gehäuses der Batteriezelle und
    • - ebenfalls innerhalb des Gehäuses der Batteriezelle, eine elektrische Schaltung wie oben beschrieben, wobei der Schwingkreis so mit der ersten Batteriezellenelektrode und der Referenzelektrode verbunden ist, dass ein erster elektrischer Kontakt des Bauteils mit der ersten Batteriezellenelektrode elektrisch verbunden ist und ein zweiter elektrischer Kontakt des Bauteils mit der Referenzelektrode elektrisch verbunden ist.
  • Bei einer solchen Batteriezelle würde die zuvor erwähnte „erste Spannung“ zwischen der ersten Batteriezellenelektrode und der Referenzelektrode anliegen.
  • Nach einer Ausführung ist ein Widerstand elektrisch zwischen den Schwingkreis und die erste Batteriezellenelektrode oder zwischen den Schwingkreis und die Referenzelektrode geschaltet.
  • Durch diesen Widerstand kann der Strom durch die Referenzelektrode begrenzt werden. Aus diesem Grund empfiehlt sich gegebenenfalls die Verwendung eines hochohmigen Widerstands, beispielsweise im Megaohm-Bereich.
  • Nach einer Ausführung ist:
    • - ein erster von außerhalb der Batteriezelle zugänglicher Batteriezellenkontakt mit der ersten Batteriezellenelektrode durch eine erste elektrische Verbindung, die durch das Gehäuse der Batteriezelle führt, elektrisch verbunden,
    • - ein zweiter von außerhalb der Batteriezelle zugänglicher Batteriezellenkontakt mit der zweiten Batteriezellenelektrode durch eine zweite elektrische Verbindung, die durch das Gehäuse der Batteriezelle führt, elektrisch verbunden, und
    • - es führen keine weiteren elektrischen Verbindungen durch das Gehäuse der Batteriezelle.
  • Das Gehäuse einer solchen Batteriezelle wird also nicht durch zusätzliche elektrische Verbindungen durch das Gehäuse geschwächt.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle vorliegenden ersten Spannung, aufweisend:
    • - eine Batteriezelle wie oben beschrieben,
    • - eine weitere elektrische Schaltung, die zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet ist und eingerichtet ist, über das Magnetfeld der Spule die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zu detektieren.
  • Dadurch, dass die weitere elektrische Schaltung über das Magnetfeld der Spule die Resonanzfrequenz des Schwingkreises detektieren kann, kann letztendlich die erste Spannung „ausgelesen werden“, so dass Informationen beispielsweise über den Ladezustand der Batteriezelle außerhalb der Batteriezelle zugänglich gemacht werden.
  • Nach einer Ausführung sind die elektrische Schaltung und die weitere elektrische Schaltung elektrisch voneinander isoliert. Hierbei ist unter dem Begriff „elektrisch voneinander isoliert“ vorzugsweise zu verstehen, dass die elektrische Schaltung und die weitere elektrische Schaltung nicht direkt miteinander verbunden sind, d.h. dass sich diese Schaltungen im Wesentlichen nur durch die magnetische Kopplung beeinflussen. Allerdings besteht natürlich eine Verbindung der elektrischen Schaltung mit anderen Teilen der Batteriezelle, insbesondere mit der ersten Batteriezellenelektrode, und die weitere elektrische Schaltung kann beispielsweise bei der Verwendung in einem Fahrzeug durch die selbe (Fahrzeug)batterie(zelle) betrieben werden, so dass auf diesem Wege eine indirekte elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Schaltung und der weiteren elektrischen Schaltung besteht.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, aufweisend:
    • zwei oder mehr Batteriezellen wie oben beschrieben, oder
    • zwei oder mehr Anordnungen wie oben beschrieben.
  • Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle vorliegenden ersten Spannung, aufweisend:
    • - Bereitstellen einer Anordnung wie oben beschrieben,
    • - Detektieren der Resonanzfrequenz des Schwingkreises durch die weitere elektrische Schaltung über das Magnetfeld der Spule, und
    • - Ermitteln der innerhalb der Batteriezelle vorliegenden ersten Spannung basierend auf der detektierten Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
  • Die mit Bezug auf einen der Aspekte der Erfindung (elektrische Schaltung, Batteriezelle, Anordnung, Batterie und Verfahren) vorgestellten vorteilhaften Ausgestaltungen und Ausführungsformen sowie deren Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäßen anderen Aspekte der Erfindung.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle 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 aber in Alleinstellung verwendbar, sofern diese Kombinationen ausführbar sind.
  • Die Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei funktionsgleiche oder funktionsähnliche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
  • Dabei zeigt, teilweise in schematischer Darstellung:
    • 1 eine Anordnung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine elektrische Schaltung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3 eine elektrische Schaltung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 4 eine grafische Darstellung eines Halbzellenpotentials für verschiedene Materialien;
    • 5 ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Anordnung 100 mit einer Batteriezelle 1 und einer Ausleseschaltung 12, die mit einem Batterie(zellen)managementsystem 13 verbunden ist.
  • Die Batteriezelle 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 2 auf, beispielsweise aus Plastikmaterial, um das Innere der Batteriezelle 1 luftdicht abzuschließen. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Anode 3 angeordnet, die über eine Anodenleitung 9 mit einem Anodenterminal 4 verbunden ist. Das Anodenterminal 4 ist von außen zugänglich und beispielsweise auf der Oberfläche des Gehäuses 2 befestigt und/oder zumindest teilweise in die Gehäusewandung integriert. Teile der Anodenleitung 9 und/oder des Anodenterminals 4 führen dabei durch eine Öffnung im Gehäuse 2, so dass eine elektrische Verbindung vom Inneren des Gehäuses 2 zum Raum außerhalb des Gehäuses 2 ermöglicht wird.
  • In ähnlicher Weise ist eine Kathode 5 innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet, die über eine Kathodenleitung 10 mit einem Kathodenterminal 6 verbunden ist.
  • Bei der Batteriezelle 1 kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle handeln.
  • Zusätzlich zu der Anode 3 und der Kathode 5 (die oft zusammenfassend auch als Arbeitselektroden, Hauptelektroden oder einfach Batteriezellenelektroden genannt werden) befindet sich eine weitere Elektrode innerhalb des Gehäuses 2, nämlich eine Referenzelektrode 7. Diese ist über einen nachfolgend näher beschriebenen Schwingkreis 8 und eine Verbindungsleitung 11 mit der Anode 3 bzw. der Anodenleitung 9 verbunden. Die elektrische Schaltung, die in dem vorliegenden Beispiel aus der Referenzelektrode 7, dem Schwingkreis 8 und der Verbindungsleitung 11 besteht, stellt eine elektrische Schaltung dar, die ein Ermitteln einer innerhalb der Batteriezelle vorliegenden (ersten) Spannung ermöglicht.
  • Anstatt die DC-Spannung der Referenzelektrode gegenüber einer der Arbeitselektroden „direkt“ auszulesen, indem die Referenzelektrode wie bei bereits bekannten Ansätzen mit einem weiteren (dritten) Terminal außerhalb des Gehäuses verbunden wird, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Spannungsdifferenz der Referenzelektrode 7 gegenüber einer der Arbeitselektroden (im Beispiel der 1 die Anode 3) dazu verwendet, den Schwingkreis 8 zu verstimmen bzw. dessen Resonanzfrequenz zu beeinflussen.
  • Die Wirkungsweise des Schwingkreises 8 bzw. die Beeinflussung der Resonanzfrequenz durch die Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der Anode 3 wird nachfolgend anhand der 2 und 3 beschrieben.
  • Wie in 1 dargestellt, ist eine weitere elektrische Schaltung, nämlich Ausleseschaltung 12, außerhalb des Gehäuses 2 der Batteriezelle 1 angeordnet. Die Ausleseschaltung 12 weist eine an sich bekannte Schaltung auf, mit der durch magnetische Kopplung die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 8 ermittelt werden kann. Die magnetische Kopplung ist in 1 durch zwei sich gegenüberliegende Spulen des Schwingkreises 8 bzw. der Ausleseschaltung 12 symbolisiert. Diese Spulen sind möglichst nahe aneinander angeordnet, damit eine ausreichende magnetische Kopplung ermöglicht wird.
  • Aus der durch die Ausleseschaltung 12 ermittelten Resonanzfrequenz des Schwingkreises 8 kann die Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der Anode 3 ermittelt werden. Sofern die elektrischen Charakteristiken der Komponenten des Schwingkreises 8 und gegebenenfalls auch der Referenzelektrode 7 bekannt sind, könnte die mathematische Beziehung zwischen der ermittelten Resonanzfrequenz und der Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der Anode 3 rein rechnerisch/theoretisch bestimmt werden. Es empfiehlt sich aber, stattdessen oder zusätzlich auch eine Kalibrierung durchzuführen.
  • Die Ermittlung der Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der Anode 3 aus der ermittelten Resonanzfrequenz kann in der Ausleseschaltung 12 oder durch nachgeschaltete Komponenten, beispielsweise dem Batterie(zellen)-managementsystem 13, durchgeführt werden. Letztendlich kann die ermittelte Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der Anode 3 durch das Batterie(zellen)managementsystem 13 benutzt werden, um Informationen über den Ladezustand der Batteriezelle 1 zu erhalten. Diese Informationen können durch das Batterie(zellen)managementsystem für verschiedene Zwecke benutzt werden, beispielsweise um ein Überladen der Batteriezelle 1 zu vermeiden, ein Nachladen der Batteriezelle 1 zu veranlassen oder die Benutzung der Batteriezelle 1 für ihren bestimmungsgemäßen Zweck (beispielsweise das Antreiben eines Fahrzeugs) zu steuern und gegebenenfalls zu optimieren.
  • 2 zeigt eine Schaltung 20, deren oberer Teil dem Schwingkreis 8 aus der 1 entspricht und deren unterer Teil der Referenzelektrode 7 entspricht. Die Schaltung 20 weist auch einen Widerstand 22 auf, der zwischen den Schwingkreis 8 und die Referenzelektrode 7 geschaltet ist.
  • Der Schwingkreis 8 der Schaltung 20 weist eine Spule 26 und einen Kondensator 28 auf. Außerdem weist der Schwingkreis 8 ein weiteres Bauteil 24, im gezeigten Beispiel eine Varaktordiode 24, auf.
  • Die Varaktordiode 24 ist ein Bauteil, dessen Kapazität von einer daran anliegenden Spannung abhängt. Im Beispiel der 2 ist diese Spannung die Spannung zwischen dem linken Anschluss der Varaktordiode 24 (der mit dem Widerstand 22 und dem Kondensator 28 verbunden ist, als Punkt 23 gekennzeichnet) und dem rechten Anschluss der Varaktordiode 24 (der mit der Spule 26 verbunden ist, Punkt 25). Mit dem Punkt 25 ist auch die Verbindungsleitung 11 aus der 1 verbunden, die an einem Punkt 30 endet. Dieser Endpunkt 30 entspricht dem Punkt in 1, an dem die Verbindungsleitung 11 die Anodenleitung 9 kontaktiert.
  • Wird die Schaltung 20 der 2 so in einer Batteriezelle 1 benutzt, wie es in der 1 gezeigt ist (also innerhalb des Batteriezellengehäuses 2 angeordnet und durch den Punkt 30 an die Anodenleitung 9 angeschlossen), besteht eine Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und dem Punkt 30 (die „erste Spannung“). Ein Teil dieser ersten Spannung liegt, je nach Größe des Widerstands 22, der beispielsweise im Megaohm-Bereich liegen kann, an der Varaktordiode 24 an, also zwischen den Punkten 23 und 25. Diese an der Varaktordiode 24 anliegende Spannung beeinflusst die Kapazität der Varaktordiode 24 und somit die Gesamtkapazität des Schwingkreises 8, die sich in an sich bekannter Weise aus den Teilkapazitäten zusammensetzt, also hier der Kapazität des Kondensators 28 und der (momentanen, veränderbaren) Kapazität der Varaktordiode 24.
  • Weil die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 8 von der Gesamtkapazität und der Gesamtinduktivität (Spule 26) des Schwingkreises 8 abhängt, hängt diese Resonanzfrequenz auch von der Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und dem Punkt 30 bzw. der Anode 3 ab. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 8 kann, wie anhand der 1 beschrieben, durch die weitere elektrische Schaltung (Ausleseschaltung 12) ermittelt werden, woraus die Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der Anode 3 bestimmt werden kann.
  • Der Kondensator 28 verhindert einen Kurzschluss der Referenzelektrode 7 über den Widerstand 22, die Spule 26 und die Verbindungsleitung 11 mit der Anode 3. Außerdem begrenzt der Widerstand 22 den Strom durch die Referenzelektrode 7.
  • 3 zeigt eine Schaltung 21, die der in 2 gezeigten Schaltung 20 ähnlich ist. Im oberen Teil der 3 ist wiederum der Schwingkreis 8 zu sehen, der im Prinzip die gleiche Funktion wie in 2 hat. Die Schaltung 21 weist auch eine Referenzelektrode 7 und einen (u.U. hochohmigen) Widerstand 22 auf. Im Unterschied zur 2 führt allerdings der Widerstand 22 zu einem Punkt 31, der zur Verbindung mit der Kathodenleitung 10 vorgesehen ist. Die Referenzelektrode 7 ist an den Punkt 25 angeschlossen. Bei der Verwendung der Schaltung 21 in der in 1 gezeigten Anordnung wären entsprechende Änderungen vorzunehmen.
  • Wie vorangehend beschrieben, können Ausführungsformen der Erfindung ein „kontakt- oder kabelloses“ Auslesen oder Messen des Halbzellenpotentials der Referenzelektrode 7 bzw. der Spannung zwischen der Referenzelektrode 7 und einer der Arbeitselektroden ermöglichen. Es ist also kein drittes Terminal für die Referenzelektrode 7 und somit auch keine weitere (dritte) elektrische Verbindung durch das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 nötig.
  • Als Variante zur Schaltung gemäß 2 wäre es auch möglich, zusätzlich zu dem Widerstand 22 oder anstatt des Widerstands 22 einen Widerstand zwischen den Punkt 25 und den Punkt 30 / die Anode 3 zu schalten. Entsprechendes gilt für die Schaltung gemäß 3, wo der Widerstand 22 oder ein zusätzlicher Widerstand zwischen den Punkt 25 und die Referenzelektrode 7 angeordnet werden könnte.
  • Als weitere Variante zu den Schaltungen gemäß 2 und 3 könnte auch - je nach Anwendung - auf den Widerstand 22 oder einen zusätzlichen Widerstand verzichtet werden.
  • Passende Widerstandswerte für den Widerstand 22 oder einen zusätzlichen Widerstand ergeben sich beispielsweise aus den Aufgaben, die der Widerstand 22 oder ein zusätzlicher Widerstand übernehmen soll. Diese können insbesondere aus einer Begrenzung des Ladestroms für die Referenzelektrode 7 und/oder der Verringerung eines noch zu beschreibenden Leckstroms bestehen. Je nach Anwendung können sich die möglichen Widerstandswerte um Größenordnungen unterscheiden.
  • Als nichteinschränkende Beispiele könnten für die Arbeitselektroden (Anode/Kathode) folgende Material-Paare verwendet werden:
    • Graphit / NMC (Lithium-Nickelmangan-Cobaltoxid)
    • Graphit & Silizium / NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid)
    • Graphit / LCO (Lithiumcobaltoxid)
  • Ein weiterer Vorteil von Ausführungsformen der Erfindung wird unter Zuhilfenahme der 4 erklärt.
  • 4 zeigt schematisch das Halbzellenpotential für zwei Materialien in Abhängigkeit des Ladezustands („State of Charge“, SOC). Der Ladezustand ist auf der horizontalen Achse aufgetragen im Bereich von 0 % bis zu einem Ladezustand von 100 %. Das Halbzellenpotential ist auf der vertikalen Achse aufgetragen, und zwar in Volt gegenüber einer Lithium-Halbzelle (V vs. Li). Hierbei ist zu beachten, dass die in 4 gezeigten Kurven 40 und 41 des Halbzellenpotentials nur einen qualitativen Eindruck vermitteln sollen und nicht als quantitativ korrekt anzusehen sind.
  • Kurve 41 stellt das Halbzellenpotential für eine Graphitanode dar. Dieses fällt von einem Maximalwert A beim Ladezustand 0 % auf einen deutlich kleineren Wert beim Ladezustand 100 % ab.
  • Kurve 40 stellt das Halbzellenpotential einer Referenzelektrode 7 dar. Dieses steigt von einem geringen Wert (0 Volt oder nahe 0 Volt) beim Ladezustand 0 % auf einen Wert B an, der bei einem Ladezustand D von ca. 15 bis 20 % erreicht wird. Die Kurve 40 weist zwischen dem Ladezustand D und einem weiteren Ladezustand E, der bei etwa 80 bis 90 % liegen kann, ein Plateau auf. In diesem Bereich bleibt das Halbzellenpotential der Kurve 40 weitgehend konstant. Oberhalb des Ladezustandes E steigt das Halbzellenpotential 40 weiter an, bis zu einem Maximalwert, der bei einem Ladezustand von 100 % erreicht wird.
  • Um die Relevanz der Halbzellenpotentialkurven der 4 zu Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu erklären, nehmen wir wiederum Bezug auf die oben genannte US 8,586,222 , in der das Laden oder Nachladen einer Referenzelektrode erklärt wird (welches ohnehin dem Fachmann geläufig sein wird).
  • Wir nehmen nun an, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt das Halbzellenpotential der Referenzelektrode 7 (Kurve 40) einen Wert hat, der bei dem Maximalwert oder in der Nähe des Maximalwertes liegt (rechtes Ende der Kurve 40). Durch über die Varaktordiode 24 und/oder den parallelgeschalteten Kondensator 28 fließende Leckströme, aber auch chemische Prozesse, die normalerweise über einen Zeitraum von mehreren Tagen stattfinden, ändert sich der Ladezustand der Referenzelektrode in Richtung 0 %, d.h. das Halbzellenpotential der Referenzelektrode 7 bewegt sich auf der Kurve 40 langsam nach links. Über einen relativ großen Bereich, nämlich den Bereich des Plateaus (etwa zwischen den Punkten D und E), bleibt das Halbzellenpotential der Referenzelektrode 7 jedoch konstant, so dass über diesen Bereich das Halbzellenpotential der Referenzelektrode 7 als nahezu konstantes Referenzpotential gegenüber der Anode 3 dienen kann. In diesem Bereich ist das Potential der Referenzelektrode 7 größer als das Potential der Anode 3, so dass die Varaktordiode 24 in der Schaltung 20 der 2 sperrt. Die Varaktordiode 24 wirkt somit wie ein Kondensator, so dass die Schaltung 20 insbesondere zum Bestimmen der Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der Anode 3 zur Verfügung steht.
  • Fällt der Ladezustand der Referenzelektrode weiter (d. h. der Ladezustand bewegt sich in den Bereich links des Punktes D auf der Kurve 40), so sinkt das Halbzellenpotential der Referenzelektrode 7. Es wird aber den Ladezustand bei 0 % nie erreichen, und zwar aus folgendem Grund: Bei einem Punkt C schneiden sich die Halbzellenpotentialkurve 40 der Referenzelektrode 7 und die Halbzellenpotentialkurve 41 der Anode 3. Wenn das Halbzellenpotential der Referenzelektrode 7 den Punkt C erreicht (bzw. den Bereich links des Punktes C), liegt die Referenzelektrode 7 auf einem niedrigeren Potential als die Anode 3. Infolgedessen leitet die Varaktordiode 24 (siehe 2), so dass die Referenzelektrode 7 „nachgeladen wird“. Durch dieses Nachladen kehrt das Halbzellenpotential der Referenzelektrode 7 wieder zu einem Punkt rechts des Punktes E auf der Kurve 40 zurück, und der Vorgang kann sich wiederholen.
  • Während des Nachladens der Referenzelektrode 7 steht diese nicht zur Verfügung, um ein stabiles Referenzpotential gegenüber der Anode 3 bereitzustellen (eben weil die Referenzelektrode 7 durch die Anode 3 nachgeladen wird). Dies wird aber nicht als gravierender Nachteil angesehen, weil gerade beim Laden und bei höheren Ladezuständen der Zelle die Funktionalität der Referenzelektrode 7 verfügbar ist (was beispielsweise für die Plating-Vermeidung wichtig sein kann).
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Start 50 des Verfahrens wird in einem Schritt 51 eine der oben beschriebenen Anordnungen bereitgestellt. Dies kann beispielsweise die Anordnung gemäß 1 sein, wobei diese die Schaltung 20 der 2 oder nach geeigneter Abwandlung die Schaltung 21 der 3 oder funktionsähnliche Schaltungen aufweisen kann.
  • Anschließend wird in einem Schritt 52 die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 8 detektiert. Hierzu kann die Ausleseschaltung 12, gegebenenfalls in Verbindung mit dem Batterie(zellen)managementsystem 13 oder ähnlichem, dienen.
  • Anschließend wird in einem weiteren Schritt 53 die Spannung der Batteriezelle 1 aufgrund der detektierten Resonanzfrequenz ermittelt. Dies kann wiederum durch die Ausleseschaltung 12, das Batterie(zellen)managementsystem 13 oder ähnliches erfolgen. Damit endet das Verfahren (Schritt 54). Die ermittelte Spannung kann dann von dem Batterie(zellen)managementsystem 13 für die zuvor erwähnten Zwecke benutzt werden.
  • Als Abwandlung bzw. Erweiterung der oben beschriebenen Schaltungen, Batteriezellen, Anordnungen und Verfahren ist es möglich, andere Messgrößen, die sich auf Vorgänge oder Zustände innerhalb des Batteriezellengehäuses 2 beziehen, kabellos oder kontaktlos zu ermitteln, d.h. an einem Punkt außerhalb des Batteriezellengehäuses 2 verfügbar zu machen. Hierzu könnte beispielsweise die Schaltung 20 der 2 bzw. die Schaltung 21 der 3 dahingehend abgewandelt werden, dass statt des Bauelements 24, dessen Kapazität von einer an diesem Bauelement anliegenden Spannung abhängig ist (in den zuvor beschriebenen Beispielen die Varaktordiode 24), ein Bauelement verwendet wird, dessen Kapazität von anderen Messgrößen abhängig ist. Ein solches alternatives Bauelement könnte beispielsweise eine Druckmessdose aufweisen, bei der ein herrschender Druck auf eine oder beide Platten eines Kondensators übertragen wird. Durch Veränderung des Drucks in der Batteriezelle 1 verändert sich der Plattenabstand dieses Kondensators, wodurch die Kapazität des Kondensators verändert wird. Die Veränderung der Kapazität würde wiederum eine Veränderung der Resonanzfrequenz des (abgewandelten) Schwingkreises 8 hervorrufen. Die veränderte Resonanzfrequenz könnte dann wie zuvor beschrieben ausgelesen werden.
  • In einem weiteren Beispiel könnte das Bauelement 24 durch ein Bauelement ersetzt werden, dessen Kapazität von einer Temperatur in der Batteriezelle 1 abhängt. Ein solches Bauelement könnte beispielsweise derart beschaffen sein, dass eine Temperaturänderung eine Längenänderung eines Teils dieses Bauteils hervorrufen könnte. Dieses längenveränderliche Teil könnte an eine Platte eines Kondensators gekoppelt sein, so dass sich ein Plattenabstand dieses Kondensators aufgrund einer Temperaturänderung verändert. Diese Veränderung würde wiederum einen Einfluss auf die Resonanzfrequenz des (abgewandelten) Schwingkreises 8 haben, wobei die veränderte Resonanzfrequenz wie zuvor beschrieben ausgelesen werden könnte.
  • Bei den soeben beschriebenen Abwandlungen wäre von den Schaltungen 20 oder 21 im Prinzip nur der Schwingkreis 8 nötig, d. h. die Referenzelektrode 7, der Widerstand 22 und die Verbindungsleitung 11 entweder zu der Anode 3 oder zu der Kathode 5 könnte weggelassen werden.
  • Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriezelle
    2
    Gehäuse
    3
    Anode
    4
    Anodenterminal
    5
    Kathode
    6
    Kathodenterminal
    7
    Referenzelektrode
    8
    Schwingkreis
    9
    Anodenleitung
    10
    Kathodenleitung
    11
    Verbindungsleitung
    12
    Ausleseschaltung
    13
    Batterie(zellen)managementsystem
    20, 21
    Schaltung
    22
    Widerstand
    23
    (Kontakt)punkt
    24
    Bauelement/Varaktordiode
    25
    (Kontakt)punkt
    26
    Spule
    28
    Kondensator
    30, 31
    (Kontakt)punkt
    40
    Halbzellenpotentialkurve der Referenzelektrode
    41
    Halbzellenpotentialkurve einer (Graphit)-Anode
    50-54
    Verfahrensschritte
    100
    Anordnung
    A, B
    Potentialniveau
    C
    Schnittpunkt
    D, E
    Ladungszustand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8586222 [0003, 0004, 0057]

Claims (12)

  1. Elektrische Schaltung (20, 21), die ein Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle (1) vorliegenden ersten Spannung ermöglicht, aufweisend: - einen Schwingkreis (8) mit einer Spule (26) und einem Bauteil (24), dessen elektrische Kapazität von einer an diesem Bauteil (24) anliegenden Spannung abhängt, und - eine Referenzelektrode (7), wobei die elektrische Schaltung (20, 21) eingerichtet ist, so innerhalb eines Gehäuses (2) der Batteriezelle (1) angeordnet zu werden, dass die erste Spannung, die zwischen einer Batteriezellenelektrode (3, 5) und der Referenzelektrode (7) vorliegt, zumindest teilweise an dem Bauteil (24) anliegt und dass eine daraus resultierende Resonanzfrequenz des Schwingkreises (8) über ein Magnetfeld der Spule (26) außerhalb des Gehäuses (2) detektierbar ist.
  2. Elektrische Schaltung (20, 21) nach Anspruch 1, wobei das Bauteil (24) eine Diode (24) aufweist, insbesondere eine Varaktordiode (24).
  3. Elektrische Schaltung (20, 21) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schwingkreis (8) einen Kondensator (28) aufweist, der mit dem Bauteil (24) in Serie geschaltet ist.
  4. Elektrische Schaltung (20, 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Halbzellenpotential (40) eines Materials der Referenzelektrode (7) ein Plateau aufweist.
  5. Elektrische Schaltung (20, 21) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Referenzelektrode (7) eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist: - Lithiumeisenphosphat - Lithiumtitanat - Lithiummanganphosphat - Lithium-Gold-Legierung.
  6. Batteriezelle (1) aufweisend: - eine erste und eine zweite Batteriezellenelektrode (3, 5) innerhalb eines Gehäuses (2) der Batteriezelle (1) und - ebenfalls innerhalb des Gehäuses (2) der Batteriezelle (1), eine elektrische Schaltung (20, 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwingkreis (8) so mit der ersten Batteriezellenelektrode (3, 5) und der Referenzelektrode (7) verbunden ist, dass ein erster elektrischer Kontakt (25, 23) des Bauteils (24) mit der ersten Batteriezellenelektrode (3, 5) elektrisch verbunden ist und ein zweiter elektrischer Kontakt (23, 25) des Bauteils (24) mit der Referenzelektrode (7) elektrisch verbunden ist.
  7. Batteriezelle (1) nach Anspruch 6, wobei ein Widerstand (22) elektrisch zwischen den Schwingkreis (8) und die erste Batteriezellenelektrode (3, 5) oder zwischen den Schwingkreis (8) und die Referenzelektrode (7) geschaltet ist.
  8. Batteriezelle (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei: - ein erster von außerhalb der Batteriezelle (1) zugänglicher Batteriezellenkontakt (4, 6) mit der ersten Batteriezellenelektrode (3, 5) durch eine erste elektrische Verbindung (9, 10), die durch das Gehäuse (2) der Batteriezelle (1) führt, elektrisch verbunden ist, - ein zweiter von außerhalb der Batteriezelle (1) zugänglicher Batteriezellenkontakt (6, 4) mit der zweiten Batteriezellenelektrode (5, 3) durch eine zweite elektrische Verbindung (10, 9), die durch das Gehäuse (2) der Batteriezelle (1) führt, elektrisch verbunden ist, und - keine weiteren elektrischen Verbindungen durch das Gehäuse (2) der Batteriezelle (1) führen.
  9. Anordnung (100) zum Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle (1) vorliegenden ersten Spannung, aufweisend: - eine Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, - eine weitere elektrische Schaltung (12), die zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses (2) der Batteriezelle (1) angeordnet ist und eingerichtet ist, über das Magnetfeld der Spule (26) die Resonanzfrequenz des Schwingkreises (8) zu detektieren.
  10. Anordnung (100) nach Anspruch 9, wobei die elektrische Schaltung (20, 21) und die weitere elektrische Schaltung (12) elektrisch voneinander isoliert sind.
  11. Batterie, aufweisend: zwei oder mehr Batteriezellen (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, oder zwei oder mehr Anordnungen (100) nach Anspruch 9 oder 10.
  12. Verfahren zum Ermitteln einer innerhalb einer Batteriezelle (1) vorliegenden ersten Spannung, aufweisend: - Bereitstellen einer Anordnung (100) nach Anspruch 9 oder 10, - Detektieren der Resonanzfrequenz des Schwingkreises (8) durch die weitere elektrische Schaltung (12) über das Magnetfeld der Spule (26), und - Ermitteln der innerhalb der Batteriezelle (1) vorliegenden ersten Spannung basierend auf der detektierten Resonanzfrequenz des Schwingkreises (8).
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