DE102019005317A1

DE102019005317A1 - Method and arrangements for detecting the state of charge of lithium-ion batteries by optical means

Info

Publication number: DE102019005317A1
Application number: DE102019005317.6A
Authority: DE
Inventors: Valentin Roscher; Christian Modrzynski; Florian Rittweger; Karl-Ragmar Riemschneider
Original assignee: Hochschule Fuer Angewandte Wss Hamburg Haw Hamburg; Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg
Current assignee: Hochschule Fuer Angewandte Wss Hamburg Haw Hamburg; Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-04
Also published as: EP4005052A1; WO2021032418A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur messtechnischen Beobachtung des Ladezustandes von Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere kann der Ladezustand von ladungspeichernden Elektrodenmaterialien optisch erfasst werden. Erfindungsgemäß wird hierzu die großflächige Lichtleitung durch den Separator und die optische Wechselwirkung im Bereich des Separators verwendet.Dazu wird Licht aus Lichtquellen in die Separatorfolie eingekoppelt und nach einem Durchlaufen eines flächigen Bereichs ausgekoppelt. Dieser Bereich wird von den Elektrodenfolien vollflächig berührt. Die durchgeleitete Lichtleistung wird von der Wechselwirkung des Lichtes mit den aktiven Elektrodenmaterialien beeinflusst. Die Transmissionsleistung wird mit einem Lichtsensor erfasst und zur Indikation des Ladezustandes genutzt.The invention relates to methods and arrangements for metrological observation of the state of charge of lithium-ion batteries. In particular, the state of charge of charge-storing electrode materials can be detected optically. According to the invention, the large-area light conduction through the separator and the optical interaction in the area of the separator are used for this purpose. For this purpose, light from light sources is coupled into the separator film and decoupled after passing through a flat area. This area is fully touched by the electrode foils. The transmitted light output is influenced by the interaction of the light with the active electrode materials. The transmission power is recorded by a light sensor and used to indicate the state of charge.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur messtechnischen Beobachtung des Ladezustandes von Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere kann der Ladezustand von ladungspeichernden Elektrodenmaterialien optisch erfasst werden. Erfindungsgemäß wird hierzu die Lichtleitung durch den Separator verwendet.The invention relates to methods and arrangements for metrological observation of the state of charge of lithium-ion batteries. In particular, the state of charge of charge-storing electrode materials can be detected optically. According to the invention, the light guide through the separator is used for this purpose.

Stand der TechnikState of the art

Eine Reihe von Verfahren und Systemen zur Ladezustandserkennung von Batterien und Batteriezellen sind bekannt, sie erfüllen Teilfunktionen von Batteriemanagementsystemen.A number of methods and systems for detecting the state of charge of batteries and battery cells are known; they fulfill partial functions of battery management systems.

Für die Ladezustandserkennung werden häufig elektrische Größen erfasst und ausgewertet.Electrical variables are often recorded and evaluated to detect the state of charge.

In einfachen Systemen werden Spannungswerte der Batteriezellen oder der Gesamtbatterie bestimmt und mit vorgegebenen Werten oder Kennlinien verglichen. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass die messbaren Spannungswerte zumindest teilweise von den aktuellen und vergangenen Betriebsbedingungen abhängig sind. So stellt sich beispielsweise eine Ruhespannung als Beziehung zwischen den Spannungswerten und dem Ladezustand erst nach dem Erreichen eines Gleichgewichtszustandes ohne Stromfluss ein. Dieser ist erst nach längerer Zeit ohne Lade oder Entladevorgang praktisch gegeben. Diese Beziehung von Spannungswert und Ladezustand wird als Ruhespannungskennline (englisch: Open Circuit Voltage Characteristic) angegeben. Sie ist wiederum von anderen Einflüssen und Größen wie Temperatur und Alterung der Zelle abhängig.In simple systems, voltage values of the battery cells or of the entire battery are determined and compared with specified values or characteristics. These methods have the disadvantage that the measurable voltage values are at least partially dependent on the current and past operating conditions. For example, a no-load voltage is set as a relationship between the voltage values and the state of charge only after a state of equilibrium has been reached without current flow. This is only practically given after a long period of time without charging or discharging. This relationship between voltage value and state of charge is specified as the open circuit voltage characteristic. It is in turn dependent on other influences and variables such as temperature and aging of the cell.

Andere Verfahren nutzen zusätzlich Strommessungen und integrieren diese Werte über die Betriebszeit, um eine rechnerische Ladungsbilanz zu erstellen. Diese stromintegrierenden Verfahren werden oft Coulomb-Counting-Verfahren - nach der Einheit der elektrischen Ladung Coulomb - genannt. Sie erfordern genaue und stabile Strommessungen. Die stromintegrierenden Verfahren haben - wie die meisten integrierenden Verfahren - das messtechnische Problem von Integrationsfehlern. In Anwendungen mit sehr unterschiedlich großen Batterieströmen werden Strommessungen mit großen Messbereichen benötigt. Bei großer Dynamik der Batterieströme ist eine hohe zeitliche Messdichte erforderlich, welche den Integrationsfehler erhöht. Mit Hilfe von Spannungsmessungen wird die Wirkung des Integrationsfehler vermindert. Daher werden häufig Spannungsmessungen und Strommessungen kombiniert. Sie führen über Modellrechnungen zu Schätzungen des Batterieladezustandes, welche jedoch häufig beträchtliche Fehler aufweisen. Als wichtige nicht elektrische Größe wird die Batterietemperatur oftmals zusätzlich berücksichtigt, weil sie einen erheblichen Quereinfluss hat. Ebenso ist die Alterung der Batterie eine wichtige Einflussgröße. Die Bestrebung, über die Modellrechnung zutreffende Schätzungen, zu erhalten, führte zu komplexen Modellen mit einer Reihe von Parametern. Teilweise werden die Modellparameter adaptiv ermittelt oder nachgeführt. Eine Verbesserung dieser Modellierung kann durch das Erfassen zusätzlicher Messgrößen durch neue Verfahren erreicht werden.Other methods also use current measurements and integrate these values over the operating time in order to create a calculated charge balance. These current-integrating methods are often called Coulomb counting methods - after the unit of electrical charge is coulomb. They require accurate and stable current measurements. The current-integrating methods have - like most integrating methods - the metrological problem of integration errors. In applications with very different battery currents, current measurements with large measuring ranges are required. If the battery currents are very dynamic, a high measurement density over time is required, which increases the integration error. With the help of voltage measurements, the effect of the integration error is reduced. Therefore voltage measurements and current measurements are often combined. Using model calculations, they lead to estimates of the battery charge level, which, however, often have considerable errors. The battery temperature is often also taken into account as an important non-electrical variable because it has a significant cross-influence. The aging of the battery is also an important influencing factor. The endeavor to obtain accurate estimates via model calculation led to complex models with a number of parameters. The model parameters are partially determined adaptively or adjusted. This modeling can be improved by acquiring additional measured variables using new methods.

Es sind auch Lösungen bekannt, die in der Kombination von elektrischer Stimulation und Messungen bestimmte Zustandsparameter der Batteriezellen ermitteln. Hierzu gehört das Verfahren der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, welches den kapazitiven und ohmschen Anteil des Innenwiderstandes bei verschiedenen Frequenzen analysiert. Dazu wird beispielsweise ein Wechselstrom durch die Zelle geleitet und die Spannungsantwort synchron ausgewertet. Eine erweiterte Darstellung hierzu findet sich in ‚Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I, II‘ (Andre et al., Journal of Power Sources, 2011).Solutions are also known which determine certain state parameters of the battery cells in a combination of electrical stimulation and measurements. This includes the method of electrochemical impedance spectroscopy, which analyzes the capacitive and ohmic component of the internal resistance at different frequencies. For this purpose, for example, an alternating current is passed through the cell and the voltage response is evaluated synchronously. An expanded description of this can be found in 'Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I, II ‘(Andre et al., Journal of Power Sources, 2011).

Bei den Verfahren auf Basis elektrischer Messgrößen - mit und ohne gezielte Stimulationen - kann sich nachteilig auswirken, dass die Modelle nicht alle Quereinflüsse und Betriebsbedingungen berücksichtigen können.In the case of methods based on electrical measured variables - with and without targeted stimulation - it can be disadvantageous that the models cannot take into account all cross-influences and operating conditions.

Nur wenige Verfahren erfassen über die vorgenannten Größen hinaus weitere Parameter, wie beispielsweise den Zelleninnendruck oder den Elektrolytfüllstand. Dabei werden direkte - von den elektrischen Größen unabhängige - Messprinzipien angestrebt.Only a few methods record other parameters beyond the aforementioned parameters, such as the internal cell pressure or the electrolyte level. In doing so, direct measurement principles - independent of the electrical quantities - are sought.

Für den Elektrolyten von Bleibatterien ist seit langem bekannt, dass sich die gravimetrische Dichte mit dem Ladezustand ändert. Ebenso ist bekannt, das auch die optische Dichte und damit verbunden der Brechungsindex beeinflusst wird. Eine Untersuchungsmethode dazu basiert auf der Entnahme von Elektrolytproben und deren Vermessungen mit einem Refraktometer. Es sind außerdem Verfahren vorgeschlagen worden, die Änderung des Brechungsindex mit Hilfe von in den flüssigen Elektrolyten eingetauchten Lichtleitfasern auszuwerten. Der Artikel ‚Density measurement into lead-acid-batteries with multi-point optical fibre sensors‘ (J. Marcos-Acevedo et al., I2MTC 2009 - International Instrumentation and Measurement Technology Conference, IEEE 2009) stellt eine Lösung dafür vor.It has long been known for the electrolyte of lead batteries that the gravimetric density changes with the state of charge. It is also known that the optical density and the associated refractive index are also influenced. One method of investigation is based on taking electrolyte samples and measuring them with a refractometer. Methods have also been proposed for evaluating the change in the refractive index with the aid of optical fibers immersed in the liquid electrolyte. The article 'Density measurement into lead-acid-batteries with multi-point optical fiber sensors' (J. Marcos-Acevedo et al., I2MTC 2009 - International Instrumentation and Measurement Technology Conference, IEEE 2009) presents a solution for this.

Für moderne Lithium-Ionen-Batterien ist eine faseroptische Beobachtung des Elektrolyten für die Ermittlung des Ladezustandes nicht geeignet. In der Technologie der Lithium-Ionen-Batterien hat der Elektrolyt die Funktion der Ionenleitung zwischen den speichernden Elektrodenmaterialien. Dabei wird der Elektrolyt im Batterieprozess chemisch nicht verändert und es liegen keine vergleichbaren Veränderungen, wie beim Elektrolyten der Bleibatterie vor. Insofern kann der Vorschlag des vorgenannten Artikels nicht umgesetzt werden.For modern lithium-ion batteries, fiber-optic monitoring of the electrolyte is not suitable for determining the state of charge. In the technology of lithium-ion batteries, the electrolyte has the function of conducting ions between the storing electrode materials. The electrolyte is not chemically changed in the battery process and there are no changes comparable to those of the electrolyte in lead batteries. In this respect, the proposal in the aforementioned article cannot be implemented.

Für die Laboruntersuchung - jedoch nicht für die praktische Batterieanwendung - sind Untersuchungsmöglichkeiten bekannt, die mit der Zerlegung der Batteriezelle verbunden sind. Diese Untersuchungen sind unter der Bezeichnung Post-Mortem-Analyse bekannt. Sie umfassen auch das speichernde Elektrodenmaterial.For laboratory testing - but not for practical battery use - testing options are known that involve dismantling the battery cell. These studies are known as post-mortem analysis. They also include the storage electrode material.

Aus diesen Untersuchungen ist bekannt, dass sichtbare Farbveränderungen der Elektrodenoberfläche in Abhängigkeit vom Ladeszustand auftreten können. So variiert beispielsweise die Farbe bei Graphit-Anoden ladungsabhängig zwischen schwarz-grau über blau und rot bis hin zu metallisch-goldenen Farbeindrucken. Der Artikel ‚Direct in situ measurements of Li transport in Li-ion battery negative electrodes‘ (Stephen Harris et al., Chemical Physics Letters, 2010) zeigt diesen Effekt und stellt die optische Beobachtung von Graphit-Elektroden mittels Mikroskopkameras vor.From these investigations it is known that visible color changes of the electrode surface can occur depending on the state of charge. For example, the color of graphite anodes varies, depending on the charge, between black-gray, blue and red, and even metallic-gold color impressions. The article 'Direct in situ measurements of Li transport in Li-ion battery negative electrodes' (Stephen Harris et al., Chemical Physics Letters, 2010) shows this effect and presents the optical observation of graphite electrodes using microscope cameras.

Weiterhin ist aus aktueller Forschungstätigkeit bekannt, dass die ladungsabhangigen optischen Effekte durch bestimmte Additive verstärkt werden können. Dies wird im Artikel ‚Method and Measurement Setup for Battery State Determination Using Optical Effects in the Electrode Material‘ (Valentin Roscher und Karl-Ragmar Riemschneider, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2018) beschrieben. Wie dort geschildert, bewirkt beispielsweise der Zusatz von Indium-Zinn-Oxid als elektrochromer Marker bei Lithium-Eisenphosphat-Kathoden eine deutliche Veränderung der Reflektivität, wenn Lithium-Ionen in diesem Elektrodenmaterial ein- oder ausgelagert werden. Diese ist als Abdunklung oder Aufhellung der Kathode sichtbar. Zu diesem Zweck wurden Testzellen mit transparenten Fenstern entwickelt, welche Kamerabeobachtungen im Labor ermöglichen. Diese Testzellen und die Verwendung von Kameras sind jedoch für gewöhnliche Batterieanwendungen nicht geeignet. Kommerzielle Zellen mit mehrschichtigem Zellaufbau sind zudem nicht durch außenliegende Fenster beobachtbar.Furthermore, it is known from current research that the charge-dependent optical effects can be intensified by certain additives. This is described in the article 'Method and Measurement Setup for Battery State Determination Using Optical Effects in the Electrode Material' (Valentin Roscher and Karl-Ragmar Riemschneider, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2018). As described there, for example the addition of indium tin oxide as an electrochromic marker in lithium iron phosphate cathodes causes a significant change in the reflectivity when lithium ions are stored or removed from this electrode material. This is visible as a darkening or lightening of the cathode. For this purpose, test cells with transparent windows were developed, which enable camera observations in the laboratory. However, these test cells and the use of cameras are not suitable for ordinary battery applications. In addition, commercial cells with a multilayered cell structure cannot be observed through external windows.

Um die üblichen Zellenkonstruktionen weit weniger zu verändern, wurde bereits vorgeschlagen, präparierte Lichtleitfasern in die Elektroden einzubringen bzw. an die Elektroden heranzuführen. Der Artikel ‚Optical characterization of commercial lithiated graphite battery electrodes and in situ fiber optic evanescent wave spectroscopy‘ ( Particia Nieva, Abdul Ghannoum et al., ACS Applied Materials and Interfaces, 2016 ) beschreibt dies näher. Dort wird erläutert, dass das durch die präparierten Lichtleitfasern geführte Licht in messbare Wechselwirkung mit dem umgebenden Elektrodenmaterial tritt. Mit einem Lichtsensor können vom Ladezustand abhängige Verluste der Lichttransmission durch die Faser erfasst werden. Es wurde eine messtechnisch nutzbare Korrelation zwischen diesen Verlusten und dem Ladezustand nachgewiesen.In order to change the usual cell constructions far less, it has already been proposed to introduce prepared optical fibers into the electrodes or to bring them up to the electrodes. The article 'Optical characterization of commercial lithiated graphite battery electrodes and in situ fiber optic evanescent wave spectroscopy' ( Particia Nieva, Abdul Ghannoum et al., ACS Applied Materials and Interfaces, 2016 ) describes this in more detail. There it is explained that the light guided through the prepared optical fibers has a measurable interaction with the surrounding electrode material. Losses of light transmission through the fiber depending on the state of charge can be recorded with a light sensor. A metrologically usable correlation between these losses and the state of charge was demonstrated.

Der Artikel ‚Optische Batteriesensorik für Elektro-Fahrzeuge‘ (Valentin Roscher und Karl-Ragmar Riemschneider, Automobil-Sensorik 2, Springer-Verlag, 2018) befasst sich mit optischen Effekten an den Lithium-Eisenphosphat-Kathoden und erwähnt dazu passend die Möglichkeit der Einbringung von Glasfaser-Lichtwellenleitern in Lithium-Ionen-Batterien.The article 'Optical battery sensors for electric vehicles' (Valentin Roscher and Karl-Ragmar Riemschneider, Automobil-Sensorik 2, Springer-Verlag, 2018) deals with optical effects on the lithium iron phosphate cathodes and mentions the possibility of incorporation of fiber optic cables in lithium-ion batteries.

Obwohl der Ladezustand der Elektroden durch die eingebrachten Lichtleitfasern im Betrieb direkt beobachtbar wird, stehen dieser Anwendung des optischen Messprinzips noch erhebliche Nachteile gegenüber.Although the charge state of the electrodes can be observed directly during operation through the optical fibers inserted, this application of the optical measurement principle still has considerable disadvantages.

Sie sind durch die erforderlichen Lichtleitfasern bedingt, die bisher in der industriellen Batteriefertigung nicht eingesetzt werden. Insbesondere sind die Präparation der Faser und das Einbringen in die Elektrode technologisch aufwändige Schritte. Lichtleitende Glasfasern werden nach notwendiger Entfernung der äußeren Schutzschicht sehr empfindlich und brechen bereits bei geringen Belastungen durch Biegung, Scher- oder Zugbeanspruchung. Diese mechanischen Belastungen sind in industriellen Herstellungsprozessen kaum vermeidbar. Die Verwendung von Schutzumhüllungen für die Faser - wie in der Kommunikationsanwendung - ist nicht möglich.They are due to the optical fibers required, which have not been used in industrial battery production up to now. In particular, the preparation of the fiber and its introduction into the electrode are technologically complex steps. Light-conducting glass fibers become very sensitive after the necessary removal of the outer protective layer and break even under low loads due to bending, shear or tensile stress. These mechanical loads can hardly be avoided in industrial manufacturing processes. The use of protective coverings for the fiber - as in the communication application - is not possible.

Ein weiterer Nachteil ist, dass der regelmäßige Zellaufbau an der Stelle der Fasereinbringung in gewissem Umfang gestört wird. Dadurch kann das Verhalten an der Faser und in der übrigen Elektrodenfläche von einander abweichen.Another disadvantage is that the regular cell structure at the point where the fibers are introduced is disrupted to a certain extent. This means that the behavior on the fiber and in the rest of the electrode area can differ from one another.

Ein zusätzlicher Nachteil bei der Erfassung des Ladezustandes der Batterie mit Lichtleitfasern ist, dass die Anzahl der eingebrachten Fasern aus Aufwandsgründen eher gering sein sollte. Typischerweise kann nur eine Faser je Elektrode eingebracht werden. Somit ist nur ein Messwert entlang der Faser erfassbar, welcher mit einer geringen Stichprobe die gesamten Fläche der Elektrode repräsentieren muss. Im Falle einer inhomogenen Elektrode wäre eine lokale Abweichung in einiger Entfernung von der Faser nicht beobachtbar. Eine solche Inhomogenität konnte aber eine Schwachstelle der Zelle bilden, welche eigentlich zu erfassen wäre.An additional disadvantage when detecting the state of charge of the battery with optical fibers is that the number of fibers introduced should be rather small for reasons of expense. Typically, only one fiber can be inserted per electrode. This means that only one measured value can be recorded along the fiber, which must represent the entire surface of the electrode with a small sample. In the case of an inhomogeneous electrode, a local deviation at some distance from the fiber would not be observable. Such an inhomogeneity could, however, form a weak point in the cell, which should actually be detected.

Bekanntes Schrifttum zum Stand der TechnikKnown prior art literature

Nachfolgend sind Patentschriften zusammengestellt, die den Stand der Technik beschreiben. Darauf aufbauend greift die vorgeschlagene Erfindung bestehende Probleme auf und geht dabei über den bekannten Stand der Technik hinaus. Dabei werden zum Einen optische Methoden genannt sowie anschließend weitere Verfahren, die ebenfalls die Erfassung zusätzlicher Messgrößen zum Gegenstand haben, jedoch nicht auf optischen Methoden basieren.The following is a compilation of patents that describe the state of the art. Building on this, the proposed invention takes up existing problems and goes beyond the known prior art. On the one hand, optical methods are mentioned, followed by other methods that also have the acquisition of additional measured variables as their object, but are not based on optical methods.

Die Patentschrift US20170131357A1 (Patricia Nieva et. al., 2015) befasst sich mit der Bestimmung des Zustandes von Lithium-Ionen-Batterien über Glasfaser-Lichtleiter. Die Erfindung nutzt Glasfaser-Lichtwellenleiter, die für eine industrielle Fertigung erhebliche Nachteile aufweisen. Die Schrift weicht durch die Verwendung von Glasfasern deutlich von der vorgeschlagenen Erfindung ab, die zum Gegenstand hat, eine Lösung ohne Glasfasern anzubieten.The patent specification US20170131357A1 (Patricia Nieva et. Al., 2015) deals with the determination of the condition of lithium-ion batteries via fiber optic light guides. The invention uses glass fiber optical waveguides, which have considerable disadvantages for industrial production. By using glass fibers, the document differs significantly from the proposed invention, the object of which is to offer a solution without glass fibers.

Die Patentschrift US9553465B2 (Ajay Raghavan, PARC Inc., 2014) befasst sich mit Batteriemanagement mittels in die Zelle eingebrachten Glasfaser-Lichtwellenleitern. Die Erfindung nutzt Glasfaser-Lichtwellenleiter, um Gasentwicklung in der Zelle zu detektieren. Sowohl in der messtechnischen Aufgabe als auch in der Verwendung der Glasfaser weicht dies deutlich von der vorgeschlagenen Erfindung ab.The patent specification US9553465B2 (Ajay Raghavan, PARC Inc., 2014) deals with battery management using fiber optic cables inserted into the cell. The invention uses glass fiber optical waveguides to detect gas evolution in the cell. This deviates significantly from the proposed invention both in the metrological task and in the use of the glass fiber.

Die Patentschrift US20150280290A1 (Bhaskar Saha, PARC Inc., 2015) befasst sich mit der Erfassung der Interkalationsstufen in Lithium-Ionen-Batterien mittels Glasfaser-Lichtwellenleitern. Auch hier müssen zusatzlich Glasfasern eingebracht werden, auf die in der vorliegenden Erfindung verzichtet wird.The patent specification US20150280290A1 (Bhaskar Saha, PARC Inc., 2015) deals with the detection of the intercalation levels in lithium-ion batteries by means of fiber optic cables. Here, too, additional glass fibers have to be introduced, which are not used in the present invention.

Die Patentschrift USOO5949219A (Jonathan Weiss, 1998) beschreibt die Erfassung des Ladezustandes mittels Glasfaser-Lichtleitern in Blei- und Lithium-Batterien. In Lithium-Batterien wird dazu die Absorption des Elektrodenmaterials gemessen, indem mehrere Glasfasern in die Zelle eingebracht werden, von denen eine Licht emittiert, welches von den restlichen Fasern nach Wechselwirkung mit der Umgebung zu einem Lichtsensor geleitet wird. Für Bleibatterien wird eine Lösung genannt, die eine Glasfaser, die in eine Glas-Matte gewoben wurde, beinhaltet. Die Matte dient hierbei der Platzierung und Fixierung der lichtleitenden Glasfaser und nimmt nicht am Messprozess teil. In diesem Fall wird also ebenfalls eine lichtleitende Glasfaser verwendet und nicht, wie in der eigenen Lösung vorgeschlagen, der gesamte flächige Separator.The patent specification USOO5949219A (Jonathan Weiss, 1998) describes the detection of the state of charge by means of glass fiber light guides in lead and lithium batteries. In lithium batteries, the absorption of the electrode material is measured by introducing several glass fibers into the cell, one of which emits light, which is guided by the remaining fibers to a light sensor after interaction with the environment. For lead-acid batteries, a solution is given that contains a glass fiber woven into a glass mat. The mat is used to position and fix the light-conducting glass fiber and does not take part in the measurement process. In this case, a light-conducting glass fiber is also used and not, as suggested in our own solution, the entire flat separator.

Die Patentschrift US6356478B1 (Jonathan Weiss, 2002) beschreibt einen faseroptischen chemischen Sensor für Bleibatterien. Diese Schrift betrifft die Erfassung des Elektrolytzustandes und nicht der Elektroden. Zudem werden Glasfaser-Lichtwellenleiter eingesetzt. Die Lösungen gemäß dieser Patentschrift sind für Bleibatterien geeignet, sie sind nicht in Lithium-Ionen-Batterien einsetzbar.The patent specification US6356478B1 (Jonathan Weiss, 2002) describes a fiber optic chemical sensor for lead batteries. This document relates to the detection of the electrolyte state and not the electrodes. In addition, fiber optics are used. The solutions according to this patent are suitable for lead batteries; they cannot be used in lithium-ion batteries.

Die Patentschrift EP3098879A1 (Stephan Leuthner, Calin Wurm, 2015) beschreibt die Erfassung von Zersetzungsprodukten der Kathode. Die Lösung ist nur in der Lage, eine vollständige oder teilweise Zerstörung der Zelle festzustellen, welche bei starker Alterung mit einem zumindest teilweisen Funktionsausfall verbunden ist. Es geht also nicht um die Erfassung des Ladezustandes im regulären Betrieb. Die Lösung nutzt dafür als Ausführungsbeispiel einen optischen Sensor, der wiederum die Verfärbung eines Indikatormaterials erfasst, das mit unerwünscht entstehendem Sauerstoff reagiert. Auch wenn in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein lichtleitender Separator für die Lichtzuführung hin zum Sensor vorgeschlagen wird, wird ausschließlich das Indikatormaterial beobachtet. Im Detail kommt noch die Notwendigkeit eines gesonderten Indikatorstoffes (z.B. Indigo, Leukomethylenblau bzw. Luminol) hinzu, der mit dem im Fehlerfall entstehenden Sauerstoff reagiert. Damit ist diese Patentschrift sowohl in der Aufgabe als auch in der technischen Umsetzung von den Vorschlägen der eigenen Erfindung zu unterscheiden.The patent specification EP3098879A1 (Stephan Leuthner, Calin Wurm, 2015) describes the detection of decomposition products of the cathode. The solution is only able to determine a complete or partial destruction of the cell, which is associated with an at least partial malfunction in the event of severe aging. So it's not about recording the state of charge in regular operation. The solution uses an optical sensor as an exemplary embodiment, which in turn detects the discoloration of an indicator material that reacts with undesired oxygen. Even if, in a further exemplary embodiment, a light-conducting separator is proposed for supplying light to the sensor, only the indicator material is observed. In detail, there is also the need for a separate indicator substance (e.g. indigo, leucomethylene blue or luminol), which reacts with the oxygen produced in the event of a fault. This patent specification is to be distinguished from the proposals of the own invention both in the task and in the technical implementation.

Die Patentschrift EP2883260B1 (James Dvorsky, Steven Rissner, 2013) beschreibt eine Möglichkeit für die Meldung des Auftretens von Dendriten in Lithium-Ionen-Batterien. Diese Dendritenbildung erfolgt nicht im üblichen Batteriebetrieb, sondern ist ein Symptom schwerer Schädigung der Batteriezelle. Damit wird wie in der vorherigen Schrift sich die Aufgabe gestellt, einen Zustand der besonderen Alterung bis hin zum Funktionsausfall zu melden. Es wird dazu eine Messung der Lichtdurchlässigkeit des Separators vorgeschlagen. Im Detail unterscheidet sich diese Messung dadurch, dass keine flächige Erfassung von Effekten erfolgt, sondern nur die punktweise entstehenden Dendriten gewissen Einfluss auf die Lichtleitung durch den Separator haben. Dabei wird ausgenutzt, dass der Separator an den Stellen der Dendriten beschädigt oder zerstört wird. Dies liegt bei der eigenen Losung nicht vor. Hier geht es um den gewöhnlichen Batteriebetrieb, in dem der Separator nicht beschädigt ist. Damit unterscheidet sich diese Schrift in drei Aspekten von der vorliegenden Erfindung. (i) Zunächst ist die Aufgabe deutlich unterschiedlich, die genannte Veröffentlichung will lediglich eine untypische kritische Situation melden. Die vorliegende Erfindung hingegen will eine Ladezustandsüberwachung als reguläre Wertmessaufgabe des Batteriemanagements kontinuierlich durchführen. (ii) Weiterhin betrifft die genannte Veröffentlichung die Erfassung eines punktuellen Effektes einzelner auftretender Dendriten. Die vorliegende Erfindung will einen flächigen Effekt der gesamten Elektrodenoberfläche erfassen, (iii) Zudem sind die Lösungen der genannten Schrift durch das Eindringen der Dendriten in die Separatorschichten mit irreversiblen Veränderungen dort verbunden. Diese irreversible und einmalige Funktionsweise unterscheidet sich von der vorliegenden Erfindung dadurch, dass hier eine voll reversible Wirkungsweise vorliegt, insbesondere dadurch, dass der Separator nicht beschädigt wird.The patent specification EP2883260B1 (James Dvorsky, Steven Rissner, 2013) describes one way of reporting the occurrence of dendrites in lithium-ion batteries. This dendrite formation does not take place in normal battery operation, but is a symptom of severe damage to the battery cell. As in the previous publication, the task is to report a state of particular aging up to and including a malfunction. For this purpose, a measurement of the light permeability of the separator is proposed. In detail, this measurement differs in that no two-dimensional recording of effects takes place, but only the dendrites that occur point by point have a certain influence on the light transmission through the separator. This takes advantage of the fact that the separator is damaged or destroyed at the points of the dendrites. This is not the case with our own solution. This is about normal battery operation in which the separator is not damaged. This document thus differs from the present invention in three aspects. (i) First of all, the task is clearly different, the publication mentioned merely aims to report an atypical critical situation. The present invention, on the other hand, aims to continuously monitor the state of charge as a regular value measurement task of the battery management. (ii) Furthermore, the mentioned publication concerns the recording of a point effect single occurring dendrites. The present invention aims to capture a two-dimensional effect of the entire electrode surface, (iii) In addition, the solutions of the cited document are associated with irreversible changes there due to the penetration of the dendrites into the separator layers. This irreversible and unique mode of operation differs from the present invention in that there is a fully reversible mode of operation, in particular in that the separator is not damaged.

Die Patentschrift DE102014218277A1 (Jean Fanous, Martin Tenzer, 2014) beschreibt einen Separator, der eine elektrisch leitfähige Schicht einschließt, mit dem Ziel ein Dendritenwachstum zu detektieren. Dazu befindet sich die elektrisch leitende Schicht des Separators im normalen Betriebszustand nicht im elektrischen Kontakt mit den Elektroden. Bei Dendritenwachstum wird die normale Separatorschicht zerstört und ein Kurzschluss mit dem elektrisch leitfähigen Teil erzeugt, der durch einen separaten elektrischen Kontakt detektiert werden kann. In dieser Schrift findet keine optische Messwerterfassung statt, ebenso keine Erfassung des Ladezustandes.The patent specification DE102014218277A1 (Jean Fanous, Martin Tenzer, 2014) describes a separator that includes an electrically conductive layer with the aim of detecting dendrite growth. For this purpose, the electrically conductive layer of the separator is not in electrical contact with the electrodes in the normal operating state. When the dendrite grows, the normal separator layer is destroyed and a short circuit with the electrically conductive part is created, which can be detected by a separate electrical contact. In this document there is no optical recording of measured values, nor is there any recording of the state of charge.

Die Patentschrift US20090104510A1 (Ricardo Fulop, 2008) beschreibt eine Batteriezustandsüberwachung mittels einer in die Zelle eingebrachten Referenzelektrode. Es werden zwar Messfühler in die Batterie eingebracht, es erfolgen jedoch keine optischen Messungen.The patent specification US20090104510A1 (Ricardo Fulop, 2008) describes battery status monitoring using a reference electrode inserted into the cell. Although measuring sensors are placed in the battery, no optical measurements are made.

Die Patentschrift WO2006077519A1 (Peter Notten, 2006) befasst sich mit Druck- und Deformationsmessungen in Batteriezellen. Es werden keine optischen Messungen durchgeführt.The patent specification WO2006077519A1 (Peter Notten, 2006) deals with pressure and deformation measurements in battery cells. No optical measurements are taken.

Die Patentschrift WO2004047215A1 (Karl-Ragmar Riemschneider, 2003) beschreibt ein drahtloses Batteriemanagementsystem. Diese Lösung nutzt zwar Elektronik für die Zellüberwachung, gewinnt ihre Daten jedoch ausschließlich über elektrische Messungen.The patent specification WO2004047215A1 (Karl-Ragmar Riemschneider, 2003) describes a wireless battery management system. Although this solution uses electronics for cell monitoring, it only obtains its data from electrical measurements.

Die Patentschrift US5667538A (John C. Bailey, 1991) beschreibt eine optische Darstellung des Ladezustandes. Die Zustandserfassung erfolgt ausschließlich über elektrische Messungen, lediglich die Darstellung des Zustandes erfolgt optisch.The patent specification US5667538A (John C. Bailey, 1991) describes an optical representation of the state of charge. The status is recorded exclusively via electrical measurements, only the status is displayed optically.

Aufgabe und Lösungsvorschlag der ErfindungProblem and proposed solution of the invention

Ausgehend vom geschilderten Stand der Technik sollen optische Messprinzipien für die Bestimmung des Ladezustandes für industriell gefertigte Zellaufbauten eingesetzt werden. Dabei sollen die vorgenannten Nachteile überwunden werden.Based on the described state of the art, optical measuring principles are to be used to determine the state of charge for industrially manufactured cell structures. The aforementioned disadvantages are intended to be overcome.

Für die Erfindung stellen sich daher die folgenden Aufgaben.The following objects therefore arise for the invention.

Sie soll im industriellen Herstellungsprozess der Zellen stabil und mit wenig Aufwand umsetzbar sein.It should be stable in the industrial production process of the cells and be able to be implemented with little effort.

Sie soll keine erhebliche Abweichung des Zellaufbaus im aktivem Bereich der Elektroden erfordern und damit nahezu keine Veränderung des Batterieprozesses bewirken.It should not require any significant deviation in the cell structure in the active area of the electrodes and should therefore result in almost no change in the battery process.

Sie soll möglichst großflächig die optischen Effekte an den Elektroden erfassen, um daraus den Ladezustand zu bestimmen.It should record the optical effects on the electrodes over the largest possible area in order to determine the state of charge from them.

Die Erfindung hat zum Ziel die genannten Aufgaben dadurch zu lösen, dass der zwischen den Elektroden platzierte Separator zur Lichtleitung genutzt wird und auf Lichtleitfasern verzichtet wird. Der Separator berührt beidseitig die jeweiligen Elektrodenoberflächen der Anode und der Kathode. Dabei erfolgt die optische Wechselwirkung großflächig. Der Schichtaufbau der Zelle und das für die Ionenspeicherung genutzte Aktivmaterial bleibt dabei unverändert. Es sind keine Lichtleitfasern in der Zelle erforderlich. Am Separator muss eine Einkopplung des Lichtes erfolgen. Dazu kann eine umschlossene Lichtquelle wie beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) genutzt werden. Die Einkopplung kann an der Stirnseite oder großflächig erfolgen. Bei letzterem kann vorteilhaft ein Prisma aus transparentem Material eingesetzt werden. In vergleichbarer Weise kann die Auskopplung des Lichtes erfolgen und mit einem Lichtsensor erfasst werden.The aim of the invention is to achieve the stated objects in that the separator placed between the electrodes is used to guide light and optical fibers are dispensed with. The separator touches the respective electrode surfaces of the anode and the cathode on both sides. The optical interaction takes place over a large area. The layer structure of the cell and the active material used for ion storage remain unchanged. No optical fibers are required in the cell. The light must be coupled in at the separator. An enclosed light source such as a light emitting diode (LED) can be used for this purpose. The coupling can take place on the front side or over a large area. With the latter, a prism made of transparent material can advantageously be used. In a comparable way, the light can be decoupled and detected with a light sensor.

Durch die Erfassung des von einer Einkopplung in den Separator bis zu einer Auskopplung durchgeleiteten Lichtes ist der Umfang der Wechselwirkung mit dem Elektrodenmaterial messbar.The extent of the interaction with the electrode material can be measured by detecting the light transmitted from a coupling into the separator to a decoupling.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

Für die vorgeschlagene Lösung kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass bereits viele gebrauchliche Separatormaterialien transparent oder transluzent sind. Damit haben sie zumindest partiell lichtleitende Eigenschaften. Diese Eigenschaft wird im Allgemeinen durch die Benetzung mit dem Elektrolyten noch verbessert. Durch die Wahl eines Separatormaterials mit geeignetem Brechungsindex gegenüber dem Elektrolyten kann das Ausbrechen des Lichtes beeinflusst werden. Damit kann der Verlust des eingekoppelten Lichtes im Verhältnis zur Strecke der Durchleitung eingestellt werden.For the proposed solution it can advantageously be used that many separator materials that are used are already transparent or translucent. This means that they have at least some light-guiding properties. This property is generally further improved by wetting with the electrolyte. By choosing a separator material with a suitable refractive index for the electrolyte, the breakout of light can be influenced. In this way, the loss of the coupled-in light can be adjusted in relation to the length of the transmission.

Separatoren werden in der Regel dahingehend optimiert, dass sie eine sichere elektrische Trennung der Elektroden gewährleisten, jedoch auch gute Ionenleitung ermöglichen. Ein günstiger Ionendurchtritt wird durch eine hohe Porosität oder eine gewebte und durchlässige Struktur erreicht. Insbesondere durch die zahlreichen Poren des Separatormaterials tritt das eingeleitete Licht durch Streuung, Reflexion und Beugung aus dem Bereich des Separators aus. Das fördert die intensive und großflächige Wechselwirkung mit den umgebenden Elektrodenoberflächen. Damit ist dies für die Ausprägung des messtechnisch genutzten Effektes wünschenswert.Separators are usually optimized so that they ensure reliable electrical separation of the electrodes, but also enable good ion conduction. A cheaper one Ion penetration is achieved through a high porosity or a woven and permeable structure. In particular through the numerous pores of the separator material, the introduced light emerges from the area of the separator by scattering, reflection and diffraction. This promotes the intensive and extensive interaction with the surrounding electrode surfaces. This is therefore desirable for the development of the effect used for measurement purposes.

Andererseits wirkt die Porenstruktur der Lichtleitung zwischen Lichtquelle und Lichtsensor entgegen. Dies kann über längere Strecken zu unerwünscht hohen Verlusten der Lichtleistung führen. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann die Lichtleitung der Separatorfolie partiell verbessert werden. So können lichtleitende Linienstrukturen oder schmale Streifen im Separator erzeugt werden. Diese weisen für einen schmalen, linienartigen Bereich eine reduzierte Porosität auf. Damit kann das eingeleitete Licht von der Quelle aus in der Fläche des Separators weitgehend gleichmäßig verteilt werden.On the other hand, the pore structure counteracts the light conduction between the light source and the light sensor. Over long distances, this can lead to undesirably high losses in light output. In an advantageous embodiment variant of the invention, the light conduction of the separator film can be partially improved. In this way, light-conducting line structures or narrow strips can be created in the separator. These show a reduced porosity for a narrow, line-like area. In this way, the light introduced from the source can be largely evenly distributed over the surface of the separator.

Ebenso kann das Licht aus der Fläche an den Sensor geführt werden. Geeignet sind beispielsweise baumartige Verzweigungen für die zu- und ableitende Linienstruktur oder Streifen mit verringerter Porosität. Diese können so angeordnet sein, das zwischen ihnen nur geringe Strecken im Separator durchleuchtet werden. Insgesamt bleibt die Porenanzahl des Separators nahezu gleich. Ausgleichend für die Linien mit verringerter Porenzahl kann die Porosität in den übrigen, wesentlich größeren Flächen, geringfügig erhöht werden.The light can also be directed from the surface to the sensor. For example, tree-like branches for the incoming and outgoing line structure or strips with reduced porosity are suitable. These can be arranged in such a way that only short distances between them are illuminated in the separator. Overall, the number of pores in the separator remains almost the same. To compensate for the lines with a reduced number of pores, the porosity in the remaining, much larger areas can be increased slightly.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante betrifft die Herstellung der vorgenannten Linienstrukturen. Für viele als Separator gebräuchliche Polymerfolien ist es durch eng begrenzte Wärmebehandlung möglich, lichtleitende Linienstrukturen durch lokal stark begrenztes Anschmelzen herzustellen. Dies kann mit erhitzten Stempelformen für die Linien oder durch räumlich eng begrenztes Laserlicht geschehen.Another advantageous variant relates to the production of the aforementioned line structures. For many polymer films commonly used as separators, it is possible, by means of limited heat treatment, to produce light-guiding line structures by locally strongly limited melting. This can be done with heated stamp molds for the lines or with spatially narrowly limited laser light.

Eine Reihe von weiteren Ausführungsvarianten ist vorteilhaft. So ist die Verwendung kostengünstiger mehrfarbiger Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen zu nennen. Die Lichtsensoren können als Fotodiode, Fotowiderstand oder Fototransistor realisiert werden. Auch integrierte Bauformen der Lichtsensorik als Teil eines Silizium-Chips in Kombination mit weiteren Funktionseinheiten sind für die Lichterfassung vorteilhaft.A number of other design variants are advantageous. The use of inexpensive multicolored light-emitting diodes (LED) as light sources should be mentioned. The light sensors can be implemented as photodiodes, photoresistors or phototransistors. Integrated designs of light sensors as part of a silicon chip in combination with other functional units are also advantageous for light detection.

Die Steuerung der Lichtquellen und die Auswertung der Lichtsensoren kann vorteilhaft mit einer Mixed-Signal-Schaltung in Kombination mit einem Mikrocontroller erfolgen.The control of the light sources and the evaluation of the light sensors can advantageously be carried out with a mixed signal circuit in combination with a microcontroller.

FigurenlisteFigure list

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

1a und 1b: Schematische Beispiele für die Anwendung in verschiedenen Batteriezellentypen.
2: Ein Ausführungsbeispiel für eine Batteriezelle mit gewickeltem Aufbau.
3a bis 3d: Beispiele für die Position der Lichtquellen und Lichtsensoren.
4: Eine Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes.
5: Eine weitere Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes.
6: Ein Ausführungsbeispiel mit Separatorbereichen unterschiedlicher Porosität.
7: Ein Ausführungsbeispiel mit einer fluoreszierenden Komponente am Separator.
8: Die Verwendung von mehreren Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen.
9: Die Verwendung von mehreren Lichtsensoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche.
Liste der Bezugszeichen

Some embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. The drawings show:

1a and 1b : Schematic examples for the application in different battery cell types.
2 : An embodiment of a battery cell with a wound structure.
3a to 3d : Examples of the position of the light sources and light sensors.
4th : An arrangement for coupling and decoupling light.
5 : Another arrangement for coupling and decoupling the light.
6 : An embodiment with separator areas of different porosity.
7th : An embodiment with a fluorescent component on the separator.
8th : The use of several light sources with different wavelength ranges.
9 : The use of several light sensors for different wavelength ranges.
List of reference symbols

Es werden die folgenden Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet.

(100): Lichtquelle(n)
(101): Einkopplungselement
(102): Separatorfolie
(103): Positive Elektrodenfolie
(104): Negative Elektrodenfolie
(105): Auskopplungselement
(106): Lichtsensor
(200): Lichtquelle
(201): Einkopplungselement
(202): Separatorfolie
(203): Positive Elektrodenfolie
(204): Negative Elektrodenfolie
(205): Auskopplungselement
(206): Lichtsensor
(300): Lichtquelle
(301): Separatorfolie
(302): Elektrodenfolien
(303): Lichtsensor
(400): Lichtquelle(n)
(401): Transparentes Prisma zur Einkopplung
(402): Separator
(403): Elektrodenfolie
(404): Elektrodenfolie
(405): Transparentes Prisma zur Auskopplung
(406): Lichtsensor
(407): Lichtausbreitung im Separator (schematisch)
(500): Lichtquelle(n)
(501): Einkopplungselement(e) aus dem Separatormaterial geformt
(502): Separator(en)
(503): Positive Elektrodenfolie(n)
(504): Stromableiter der positiven Elektrode(n)
(505): Negative Elektrodenfolie(n)
(506): Stromableiter der negativen Elektrode(n)
(507): Auskopplungselement (e) aus dem Separatormaterial geformt
(508): Lichtsensor
(600): Lichtquelle(n)
(601): Einkopplungselement(e)
(602): Bereiche der Separatorfolie mit niedriger Porosität
(603): Lichtausbreitung (schematisch)
(604): Bereiche der Separatorfolie mit hoher Porosität
(605): Bereiche der Separatorfolie mit niedriger Porosität
(606): Auskopplungselement(e)
(607): Lichtsensor(en)
(700): Lichtquelle
(701): Prisma als Einkopplungselement
(702): Separatorfolie
(703): Negative Elektrode
(704): Positive Elektrode
(705): Fluoreszierendes Material
(706): Prisma als Auskopplungselement
(707): Wellenlängenfilter
(708): Lichtsensor
(709): Lichtausbreitung vorlaufend (schematisch)
(710): Lichtausbreitung rücklaufend (schematisch)
(800): Lichtquelle, im Spektrum verschieden von weiterer Lichtquelle (802)
(801): Schematisches Spektrum der eingekoppelten Lichtleistung der Lichtquelle (800)
(802): Lichtquelle, im Spektrum verschieden von weiterer Lichtquelle (800)
(803): Schematisches Spektrum der eingekoppelten Lichtleistung der Lichtquelle (802)
(804): Elektronischer Umschalter
(805): Einzukoppelndes Licht
(806): Batteriezelle
(807): Separator
(900): Lichtquelle
(901): Einzukoppelndes Licht
(902): Batteriezelle
(903): Separator
(904): Ausgekoppeltes Licht nach der Wechselwirkung in der Batteriezelle (902)
(905): Ausgekoppeltes Licht nach der Wechselwirkung in der Batteriezelle (902)
(906): Wellenlängenfilter verschieden von weiterem Filter (909)
(907): Lichtsensor zur Lichterfassung nach Wellenlängenfilter (906)
(908): Verarbeitung der Ausgangsleistung des Lichtsensors (907)
(909): Wellenlängenfilter verschieden von weiterem Filter (906)
(910): Lichtsensor zur Lichterfassung nach Wellenlängenfilter (909)
(911): Verarbeitung der Ausgangsleistung des Lichtsensors (910)
(912): Ausgangswert der Verarbeitung (908)
(913): Ausgangswert der Verarbeitung (911)
(914): Vergleichsrechnung der Ausgangswerte (912) und (913)
(915): Ergebnis der Vergleichsrechnung (914) zur Indikation des Ladezustandes
(808): Ausgekoppeltes Licht
(809): Lichtsensor
(810): Umschaltfunktion für die Auswahl des Speichers (812) bzw. (813)
(811): Synchronisation der Umschaltung (804) und (810)
(812): Speicher für Ausgangswert des Lichtsensors (809) bei Einstrahlung durch Lichtquelle (800)
(813): Speicher für Ausgangswert des Lichtsensors (809) bei Einstrahlung durch Lichtquelle (802)
(814): Vergleichsrechnung der gespeicherten spektralen Lichtleistungen (815) und (816)
(815): Schematisches Spektrum der ausgekoppelten Lichtleistung für die Lichtquelle (800)
(816): Schematisches Spektrum der ausgekoppelten Lichtleistung für die Lichtquelle (802)
(817): Skizze des Ergebnisses der Vergleichsrechnung (814) als Indikation des Ladezustandes

The following reference numbers are used in the drawings.

(100): Light source (s)
(101): Coupling element
(102): Separator film
(103): Positive electrode foil
(104): Negative electrode foil
(105): Decoupling element
(106): Light sensor
(200): Light source
(201): Coupling element
(202): Separator film
(203): Positive electrode foil
(204): Negative electrode foil
(205): Decoupling element
(206): Light sensor
(300): Light source
(301): Separator film
(302): Electrode foils
(303): Light sensor
(400): Light source (s)
(401): Transparent prism for coupling
(402): separator
(403): Electrode foil
(404): Electrode foil
(405): Transparent prism for decoupling
(406): Light sensor
(407): Propagation of light in the separator (schematic)
(500): Light source (s)
(501): Coupling element (s) formed from the separator material
(502): Separator (s)
(503): Positive electrode foil (s)
(504): Current collector of the positive electrode (s)
(505): Negative electrode foil (s)
(506): Negative electrode current arrester (s)
(507): Outcoupling element (s) formed from the separator material
(508): Light sensor
(600): Light source (s)
(601): Coupling element (s)
(602): Areas of the separator film with low porosity
(603): Light propagation (schematic)
(604): Areas of the separator film with high porosity
(605): Areas of the separator film with low porosity
(606): Decoupling element (s)
(607): Light sensor (s)
(700): Light source
(701): Prism as a coupling element
(702): Separator film
(703): Negative electrode
(704): Positive electrode
(705): Fluorescent material
(706): Prism as a decoupling element
(707): Wavelength filter
(708): Light sensor
(709): Light propagation leading (schematic)
(710): Returning light propagation (schematic)
(800): Light source, different in spectrum from another light source (802)
(801): Schematic spectrum of the coupled light output of the light source (800)
(802): Light source, different in spectrum from another light source (800)
(803): Schematic spectrum of the coupled light output of the light source (802)
(804): Electronic switch
(805): Light to be coupled
(806): Battery cell
(807): separator
(900): Light source
(901): Light to be coupled
(902): Battery cell
(903): separator
(904): Decoupled light after interaction in the battery cell (902)
(905): Decoupled light after interaction in the battery cell (902)
(906): Wavelength filter different from another filter (909)
(907): Light sensor for light detection after a wavelength filter (906)
(908): Processing the output power of the light sensor (907)
(909): Wavelength filter different from another filter (906)
(910): Light sensor for light detection after a wavelength filter (909)
(911): Processing the output power of the light sensor (910)
(912): Processing baseline (908)
(913): Processing baseline (911)
(914): Comparative calculation of the initial values (912) and (913)
(915): Result of the comparison calculation (914) to indicate the state of charge
(808): Decoupled light
(809): Light sensor
(810): Switching function for the selection of the memory (812) or. (813)
(811): Synchronization of the switchover (804) and (810)
(812): Memory for the output value of the light sensor (809) when irradiated by a light source (800)
(813): Memory for the output value of the light sensor (809) when irradiated by a light source (802)
(814): Comparative calculation of the stored spectral light outputs (815) and (816)
(815): Schematic spectrum of the decoupled light output for the light source (800)
(816): Schematic spectrum of the decoupled light output for the light source (802)
(817): Sketch of the result of the comparison calculation (814) as an indication of the state of charge

Die Zeichnungen 1a und 1b dienen der Verdeutlichung des grundlegenden Lösungsvorschlags der Erfindung. Die Zeichnung 1a zeigt schematisch den Einsatz der Erfindung an einer Pouchzelle oder einer prismatischen Zelle. Es wird dort grafisch vereinfacht nur eine gefaltete Schichtlage dargestellt. Von der/den Lichtquelle(n) (100) wird Licht mit einem Einkopplungselement (101) in die Separatorfolie (102) eingebracht.The painting 1a and 1b serve to illustrate the basic proposed solution of the invention. The drawing 1a shows schematically the use of the invention on a pouch cell or a prismatic cell. In a graphically simplified manner, only one folded layer is shown there. From the light source (s) (100) is light with a coupling element (101) into the separator film (102) brought in.

Diese Separatorfolie befindet sich zwischen der positiven Elektrodenfolie (103) und der negativen Elektrodenfolie (104). Nachdem das Licht eine Strecke im Separator zurückgelegt hat, wird es mit einem Auskopplungselement (105) wieder ausgekoppelt und mindestens einem Lichtsensor (100) zugeleitet.This separator film is located between the positive electrode film (103) and the negative electrode sheet (104) . After the light has traveled a distance in the separator, it is coupled with a decoupling element (105) decoupled again and at least one light sensor (100) forwarded.

Auf dieser Strecke ist eine optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektroden (103 bzw. 104) erfolgt. Durch diese Wechselwirkung wird die ausgekoppelte Lichtleistung beeinflusst.An optical interaction with at least one of the electrodes (103 or 104) has taken place along this path. This interaction influences the light output that is coupled out.

Diese veränderliche Leistung wird am Lichtsensor (106) messtechnisch erfasst und steht in Beziehung zum Ladezustand der Elektroden, welcher bestimmt werden soll.This variable power is shown on the light sensor (106) recorded by measurement and is related to the charge state of the electrodes, which is to be determined.

Die Zeichnung 1b zeigt schematisch den Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung an einer Rundzelle, in der die Schichtlagen gewickelt sind. Die Komponenten und Bezugszeichen entsprechen der 1a.The drawing 1b shows schematically the use of the solution according to the invention on a round cell in which the layer layers are wound. The components and reference numbers correspond to 1a .

Hier wird das Licht an einer Stirnseite flächig in den gewickelten Separator eingekoppelt. Dazu folgt das Einkopplungselement der Wicklung als Formgebung.Here, the light is coupled into the wound separator over a large area at one end. For this purpose, the coupling element follows the winding as a shape.

Das Auskopplungselement befindet sich an der anderen Stirnseite. Es ist ebenfalls so ausgeführt, dass eine Auskopplung aus der Fläche erfolgt. Hierzu ist gleichfalls ein Auskopplungselementvorgesehen, das der Wicklung in der Form folgt.The decoupling element is located on the other face. It is also designed in such a way that it is coupled out from the surface. For this purpose, a decoupling element is also provided which follows the shape of the winding.

Die Zeichnung 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel an einer Zelle mit gewickelten Schichtlagen. Von der/den Lichtquelle(n) (200) wird an einem Wicklungsende der Separatorfolie (202) das Licht mit einem Einkopplungselement (201) in die Separatorfolie eingebracht. Diese Separatorfolie befindet sich in einer mehrlagigen Wicklung zwischen der positiven Elektrodenfolie (203) und der negativen Elektrodenfolie (204). Das Licht folgt der Wicklung von außen ins Zentrum der Wicklung.The drawing 2 shows a further embodiment of a cell with wound layers. From the light source (s) (200) at one end of the winding of the separator film (202) the light with a coupling element (201) introduced into the separator film. This separator foil is located in a multilayer winding between the positive electrode foil (203) and the negative electrode sheet (204) . The light follows the winding from the outside into the center of the winding.

Auf dieser Strecke erfolgt eine optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen (203 bzw. 204). Der Separator und die Elektroden sind mit zunehmender Wicklung stärker gekrümmt. Durch diese Krümmung wird die Wechselwirkung verstärkt.On this path there is an optical interaction with at least one of the electrode surfaces (203 or 204). The separator and the electrodes are more curved as the winding increases. This curvature increases the interaction.

Im Zentrum befindet sich ein stabförmiges Auskopplungselement (205). Hier wird das verbleibende Licht ausgekoppelt und mindestens einem Lichtsensor (206) zugeführt. In einer Variation dieses Ausführungsbeispiels kann die Position von Lichtsensor und Lichtquelle getauscht werden. Dann durchläuft das Licht die Wicklung von innen nach außen. Die Wechselwirkung ergibt sich in vergleichbarer Weise.In the center there is a rod-shaped decoupling element (205) . Here the remaining light is decoupled and at least one light sensor (206) fed. In a variation of this exemplary embodiment, the position of the light sensor and light source can be exchanged. Then the light passes through the winding from the inside out. The interaction results in a comparable way.

Die Zeichnungen 3a, 3b, 3c und 3d zeigen verschiedene Positionen von Lichtquellen (300) und Lichtsensoren (303) im Aufbau einer Zelle mit gewickelten Schichtlagen. Die schematische Darstellung blickt auf die Stirnseite der Wicklung. Im Einzelnen sind folgende Komponenten dargestellt: Lichtquelle (300), Separatorfolie (301), Elektrodenfolien (302), alle von der Stirnseite betrachtet, und Lichtsensor (303).The painting 3a , 3b , 3c and 3d show different positions of light sources (300) and light sensors (303) in the structure of a cell with wound layers. The schematic representation looks at the end of the winding. The following components are shown in detail: Light source (300) , Separator film (301) , Electrode foils (302) , all viewed from the front, and light sensor (303) .

Die Zeichnung 3a zeigt eine Anordnung, in der das Licht von der Außenseite der Wicklung eingeleitet wird und im Zentrum messtechnisch erfasst wird.The drawing 3a shows an arrangement in which the light is introduced from the outside of the winding and is measured in the center.

Die Zeichnung 3b zeigt eine Anordnung, in der das Licht im Zentrum der Wicklung eingeleitet wird und an der Außenseite messtechnisch erfasst wird.The drawing 3b shows an arrangement in which the light is introduced in the center of the winding and is measured on the outside.

Die Zeichnung 3c zeigt eine Anordnung, in der das Licht von der Außenseite der Wicklung eingeleitet wird, durch das Zentrum geleitet wird und wiederum an der Außenseite messtechnisch erfasst wird.The drawing 3c shows an arrangement in which the light is introduced from the outside of the winding, is passed through the center and is again measured on the outside.

Die Zeichnung 3d zeigt eine Anordnung, in der das Licht im Zentrum der Wicklung eingeleitet wird, zur Außenseite der Wicklung geleitet wird, dort zurück zum Zentrum gefuhrt wird und wiederum im Zentrum messtechnisch erfasst wird.The drawing 3d shows an arrangement in which the light is introduced in the center of the winding, is directed to the outside of the winding, there is directed back to the center and is again measured in the center.

Letztere Position kann vorteilhaft den fertigungstechnisch bedingten zylindrischen Hohlraum in einer gewickelten Zelle ausnutzen. Dort können beispielsweise auch Ein- und Auskopplungselemente und Lichtdiffusoren zur gleichmäßigen und flächigen Verteilung des ein- und auszukoppelnden Lichtes in die Separatorfolie platziert werden. Gleiches gilt für eine kompakte Auswerteelektronik.The latter position can advantageously utilize the cylindrical cavity in a wound cell, which is caused by manufacturing technology. For example, coupling-in and coupling-out elements and light diffusers can also be placed there in the separator film for uniform and areal distribution of the light to be coupled in and out. The same applies to compact evaluation electronics.

Die Zeichnung 4 zeigt schematisch eine Anordnung für die Ein- und Auskopplung des Lichtes als Ausführungsbeispiel. Das Licht von der/den Lichtquelle(n) (400) wird einem transparenten Prisma (401) zugeführt. Dort wird es nach den bekannten Brechungsgesetzen des Prismas im Strahlwinkel so beeinflusst, dass eine effektive Einkopplung in den flächigen Separator (402) erfolgt. Das Licht breitet sich dann in der Fläche des Separators gerichtet aus (407).The drawing 4th shows schematically an arrangement for the coupling and decoupling of light as an embodiment. The light from the light source (s) (400) becomes a transparent prism (401) fed. There, according to the known laws of refraction of the prism, the beam angle is influenced in such a way that an effective coupling into the flat separator (402) he follows. The light then propagates in a directional manner in the surface of the separator (407).

Nach dem Durchlauf durch diese Fläche und der Wechselwirkung mit mindestens einer der anliegenden Elektroden (403 und 404) wird das Licht mit einem transparenten Prisma (405) ausgekoppelt. Hier wird der Strahlwinkel aus der Fläche zum Lichtsensor (406) gerichtet. Diese Ein- und Auskopplung mit Prismen hat den Vorteil, dass die Verluste zwischen Lichtquelle und Separator bzw. Separator und Lichtsensor gering sind und vergleichsweise große Flächen und Winkelbereiche in der Konstruktion zuzulassen sind. Dies ist vorteilhaft gegenüber einer direkten Einkopplung in die flachen Stirnbereiche der Separatorfolien.After passing through this area and interacting with at least one of the adjacent electrodes (403 and 404), the light is emitted with a transparent prism (405) decoupled. Here the beam angle from the surface becomes a light sensor (406) directed. This coupling and decoupling with prisms has the advantage that the losses between the light source and separator or separator and light sensor are low and comparatively large areas and angular ranges are permitted in the construction. This is advantageous compared to direct coupling into the flat end regions of the separator films.

Die Prismen können auch nach dem Fresnel-Prinzip gestaltet werden. Sie können auch als Verformung des Separators ausgebildet werden oder mehrere Separatorschichten mit einer Prismenstruktur umfassen. Prismen können auch separat ausschließlich für die Einkopplung oder ausschließlich für die Auskopplung zum Einsatz kommen. Die Gehäuse der Lichtquellen und -sensoren können so ausgeformt werden, dass sie bereits selbst passende Prismenstrukturen aufweisen.The prisms can also be designed according to the Fresnel principle. They can also be designed as a deformation of the separator or comprise several separator layers with a prism structure. Prisms can also be used separately exclusively for coupling or exclusively for decoupling. The housings of the light sources and sensors can be shaped so that they already have matching prism structures themselves.

Die Zeichnung 5 zeigt eine weitere schematische Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes. Insbesondere wird ein mehrfacher Schichtaufbau aus Separator (502), Elektrodenfolien aus positivem Aktivmaterial (503) und negativem Aktivmaterial (505) und Stromableitern für die positive Elektrode (504) und für die negative Elektrode (506) gezeigt.The drawing 5 shows another schematic arrangement for the coupling and decoupling of the light. In particular, a multiple layer structure is made up of a separator (502) , Electrode foils made of positive active material (503) and negative active material (505) and current collectors for the positive electrode (504) and for the negative electrode (506) shown.

Hier wird das Licht aus mindestens einer Lichtquelle (500) den Einkopplungselementen (501) zugeführt. Diese Einkopplungselemente (501) sind aus dem Separatormaterial geformt und aufgeweitet, so dass sie ein mehrfaches der Separatorstärke aufweisen. Auf diese Weise kann nahezu die gesamte Höhe des Schichtaufbaus bzw. die gesamte Stirnfläche eines gewickelten Schichtaufbaus zur Einkopplung genutzt werden.Here the light comes from at least one light source (500) the coupling elements (501) fed. These coupling elements (501) are formed from the separator material and expanded so that they have a multiple of the separator thickness. In this way, almost the entire height of the layer structure or the entire end face of a wound layer structure can be used for coupling.

Nach dem Durchlauf und der Wechselwirkung des Lichtes mit mindestens einer der anliegenden Elektrodenoberflächen (503 und 505) kann in vergleichbarer Weise eine Auskopplung des Lichtes unterstützt werden. Hierzu haben die Auskopplungselemente (507) ebenfalls eine Aufweitung. So kann ebenfalls nahezu die gesamte Höhe des Schichtaufbaus zur Auskopplung genutzt werden. Anschließend wird das ausgekoppelte Licht vom Lichtsensor (508) erfasst. Gleiches gilt für die Stirnseiten von Wickelaufbauten.After the light has passed through and has interacted with at least one of the adjacent electrode surfaces (503 and 505), coupling out of the light can be supported in a comparable manner. For this purpose, the decoupling elements have (507) also an expansion. Almost the entire height of the layer structure can thus also be used for coupling out. Then the decoupled light from the light sensor (508) detected. The same applies to the end faces of winding structures.

Technologisch vorteilhaft kann die Umformung für die Ein- und Auskopplungselemente (501 bzw. 507) thermisch erfolgen. Bei der Aufweitung können auch konische Prismen oder Mikrolinsenstrukturen geformt werden. Diese können in Lochstrukturen der elektrischen Zusammenfassung und Ableitung aus den Stromableiterfolien platziert werden.Technologically advantageous, the deformation for the coupling-in and coupling-out elements (501 or 507) can take place thermally. Conical prisms or microlens structures can also be formed during the expansion. These can be placed in hole structures of the electrical combination and derivation from the current collector foils.

Die Zeichnung 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Separatorbereichen unterschiedlicher Porosität. Separatorwerkstoffe haben typischerweise eine hohe Porosität, um den Elektrolyten in den Poren aufzunehmen und damit die Ionenleitfähigkeit sicherzustellen. Eine hohe Porenzahl führt zu intensiven Lichtstreuungs- und -beugungseffekten. Diese Effekte tragen einerseits zur Förderung der Wechselwirkung bei, andererseits führen sie zu starken Lichtverlusten. Diese Verluste können die praktisch nutzbare Strecke, die das Licht durchlaufen kann, begrenzen. Wird diese nutzbare Strecke überschritten, sind die am Sensor verbleibenden Lichtleistungen messtechnisch ungünstig und schwer vom thermischen Rauschen zu trennen.The drawing 6 shows an embodiment with separator areas of different porosity. Separator materials typically have a high porosity in order to take up the electrolyte in the pores and thus ensure ion conductivity. A high number of pores leads to intense light scattering and diffraction effects. On the one hand, these effects contribute to promoting interaction, on the other hand, they lead to strong light losses. These losses can limit the practical useful distance that light can travel. If this usable distance is exceeded, the light outputs remaining at the sensor are metrologically unfavorable and difficult to separate from the thermal noise.

Es wird daher vorgeschlagen, den Separator mit Bereichen auszustatten, in denen die Porenzahl reduziert ist. In diesen verlustarmen Bereiche kann das Licht größere Strecken zurücklegen. Insbesondere erscheint eine kammartige Formgebung dieser Bereiche mit niedriger Porosität von Vorteil. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Lichtquellen (600), aus denen Licht mit Hilfe eines Einkopplungselementes (601) in die Bereiche niedriger Porosität der Separatorfolie (602) eingeleitet wird. In diesen Bereichen wird das Licht linienartig in die Separatorfläche mit hoher Porosität (604) verteilt, um dort auf vergleichsweise kurzen Strecken (603) in optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen zu treten. Aus diesem Bereich wird das durchtretende Licht wieder in Strukturen mit niedriger Porosität (605) aufgenommen und an ein Auskopplungselement (606) weitergeleitet.It is therefore proposed to equip the separator with areas in which the number of pores is reduced. In these low-loss areas, the light can cover greater distances. In particular, a comb-like shape of these areas with low porosity appears to be advantageous. The illustrated embodiment shows the light sources (600) , from which light with the help of a coupling element (601) in the areas of low porosity of the separator film (602) is initiated. In these areas, the light becomes linearly into the separator surface with high porosity (604) distributed to there on comparatively short distances (603) to enter into optical interaction with at least one of the electrode surfaces. From this area the light passing through is again in structures with low porosity (605) added and to a decoupling element (606) forwarded.

Von dort wird es in mindestens einem Lichtsensor (607) erfasst. In vielen Separatorwerkstoffen, insbesondere thermoplastischen Polymeren, sind die Bereiche mit niedriger Porosität günstig durch lokale Erwärmung herzustellen. In einer typischen Ausführungsform sind die verlustarmen Bereiche nur als schmale Linienstrukturen mit sehr geringem Flächenanteil auszuführen, damit die gewünschte Porosität des gesamten Separators nicht grundsätzlich verloren geht. Diese thermische Behandlung kann so kurzzeitig erfolgen, dass die Oberfläche einen niedrigeren Brechungsindex als das innenliegende Kernmaterial des Separators bekommt. Dies bewirkt nochmals eine Verringerung der Transmissionsverluste in den Bereichen niedriger Porosität.From there it gets into at least one light sensor (607) detected. In many separator materials, in particular thermoplastic polymers, the areas with low porosity can be advantageously produced by local heating. In a typical embodiment, the low-loss areas are only to be designed as narrow line structures with a very small surface area, so that the desired porosity of the entire separator is not fundamentally lost. This thermal treatment can take place so briefly that the surface has a lower refractive index than the inner core material of the separator. This again reduces the transmission losses in the areas of low porosity.

Die Zeichnung 7 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel mit einer fluoreszierenden Komponente am Separator. Die Lichtquelle (700) koppelt zunächst Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs über ein Prisma (701) in die Separatorfolie (702) ein.The drawing 7th shows an exemplary embodiment with a fluorescent component on the separator. The light source (700) first couples light of a certain wavelength range via a prism (701) into the separator film (702) on.

Beim Durchlaufen des Separators tritt es in Wechselwirkung mit dem umgebenden Material der positiven Elektrode (704) und/oder der negativen Elektrode (703). Nach dem Durchlaufen des Separators wird das Licht vom Separator in ein fluoreszierendes Material (705) geführt. Dort wird ein Teil des transmittierten Lichtes absorbiert und tritt vorzugsweise in einem anderen Wellenlängenbereich aus. Dieses Licht durchläuft den Separator und tritt am auskoppelnden Prisma (706) aus. Die vor- und rücklaufende Lichtausbreitung ist schematisch dargestellt (709 und 710).As it passes through the separator, it interacts with the surrounding material of the positive electrode (704) and / or the negative electrode (703) . After passing through the separator, the light from the separator is converted into a fluorescent material (705) guided. Part of the transmitted light is absorbed there and preferably emerges in a different wavelength range. This light passes through the separator and occurs at the decoupling prism (706) out. The forward and backward propagation of light is shown schematically (709 and 710).

Mithilfe eines Wellenlängenfilters (707) wird die Fluoreszenzantwort vom Licht der ursprünglichen Lichtquelle (700) getrennt. Ein Lichtsensor (708) erfasst die transmittierte Lichtleistung nach der Wechselwirkung. Mit Hilfe der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche von Ein- und Ausstrahlung wird eine unerwünschte Sättigung des Lichtsensors (708) vermieden, so dass er räumlich nah an der Lichtquelle (700) platziert werden kann.With the help of a wavelength filter (707) becomes the fluorescence response from the light of the original light source (700) Cut. A light sensor (708) detects the transmitted light power after the interaction. With the help of the different wavelength ranges of irradiation and radiation, an undesired saturation of the light sensor is avoided (708) avoided so that it is spatially close to the light source (700) can be placed.

Die Zeichnung 8 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, um durch Referenzwertbildung und damit erfolgende Vergleichsrechnung die Quereinflüsse anderer Größen wie Temperatur und Druck auf die Bestimmung des Ladezustandes zu vermindern. Gleichzeitig sollen systematische Messfehler wie schwankende Leistung der Lichtquelle infolge einer Alterung oder einer instabilen Stromversorgung kompensiert werden. Ähnliches gilt für Einflüsse auf die absolute Empfindlichkeit des Lichtsensors.The drawing 8th shows schematically an embodiment with a plurality of light sources with different wavelength ranges in order to reduce the cross-influences of other variables such as temperature and pressure on the determination of the state of charge through reference value formation and the comparative calculation carried out therewith. At the same time, systematic measurement errors such as fluctuating power of the light source due to aging or an unstable power supply are to be compensated. The same applies to influences on the absolute sensitivity of the light sensor.

Die absolute Lichtleistung kann auch durch Langzeitveränderung aller lichtfuhrenden Komponenten verändert werden. Daher wird vorgeschlagen, mehrere Lichtquellen (800 und 802) zu nutzen. Diese Quellen haben eine unterschiedliche spektrale Charakteristik, bei der ein deutliches Maximum der abgestrahlten Lichtleistungen P_in1 und P_in2 bei verschiedenen Wellenlängen lambda liegt. Diese Charakteristik ist schematisch in den Diagrammen (801) und (803) dargestellt.The absolute light output can also be changed by long-term changes to all light-guiding components. It is therefore suggested to use several light sources (800 and 802). These sources have different spectral characteristics, with a clear maximum of the emitted light powers P _in1 and P _in2 at different wavelengths lambda. This characteristic is shown schematically in the diagrams (801) and (803) shown.

Die Lichtquellen werden im Zeitmultiplex mithilfe eines elektronischen Umschalters (804) so betrieben, dass sie in bestimmten Phasen eines Zyklus eingeschaltet und in anderen Phasen ausgeschaltet sind. Von den Lichtquellen wird das Licht (805) in den Separator (807) eingekoppelt. Das Licht durchläuft die Batteriezelle (806) und tritt dort in die Wechselwirkung mit den Elektrodenoberflächen. Das ausgekoppelte Licht (808) wird von mindestens einem Lichtsensor (809) mit spektral breitem Erfassungsband, welches die Maxima der Charakteristik der Lichtquellen einschließt, erfasst.The light sources are time-multiplexed with the help of an electronic switch (804) operated to be on in certain phases of a cycle and off in other phases. The light comes from the light sources (805) into the separator (807) coupled. The light passes through the battery cell (806) and there it interacts with the electrode surfaces. The decoupled light (808) is controlled by at least one light sensor (809) with a spectrally wide detection band, which includes the maxima of the characteristics of the light sources.

Der Ausgangswert des Lichtsensors (809) wird in speichernden Elementen (812 bzw. 813) zwischengespeichert. Die Auswahl (810) des jeweiligen speichernden Elementes wird synchron (811) mit der Einschaltphase einer der Lichtquellen gesteuert. Damit werden die Transmissionsleistungen P_out1 und P_out2 der jeweiligen Lichtquellen getrennt erfasst.The output value of the light sensor (809) is cached in storing elements (812 or 813). The selection (810) of the respective storing element is controlled synchronously (811) with the switch-on phase of one of the light sources. The transmission _powers P _out1 and P _{out2 of} the respective light sources are _thus recorded separately.

Von Vorteil ist dies insbesondere, wenn der Ladezustand der Elektroden eine unterschiedliche spektrale Verteilung der durchtretenden Lichtleistung bewirkt. Dieses ist in den Diagrammen (815 und 816) schematisch dargestellt. Die gestrichelte Linie symbolisiert beispielsweise den geladenen Zustand und die durchgehende Linie den entladenen Zustand. Mithilfe einer Vergleichsrechnung (814) der zwischengespeicherten Werte von P_out1 und P_out2, insbesondere mithilfe der Division, kann ein von der absoluten Lichtleistung weitgehend unabhängiger Wert X ermittelt werden. Dieser Ausgangswert X ist schematisch im Diagramm (817) dargestellt. Die Vergleichsrechnung wird so parametrisiert, dass sich ein möglichst eindeutiger, z. B. linearer, Zusammenhang zwischen dem Ladezustand (State of Charge), und dem Ausgangswert X ergibt.This is particularly advantageous if the charge state of the electrodes causes a different spectral distribution of the light power passing through. This is shown schematically in the diagrams (815 and 816). The dashed line symbolizes, for example, the charged state and the solid line the discharged state. With the help of a comparative calculation (814) of the _{temporarily stored} values of P _out1 and P _out2 , in particular with the aid of division, a value X that is largely independent of the absolute light output can be determined. This output value X is shown schematically in the diagram (817) shown. The comparison calculation is parameterized in such a way that a clearest possible, e.g. B. linear, relationship between the state of charge, and the output value X results.

In der Zeichnung 8 werden aus Übersichtsgründen zwei Lichtquellen und ein Lichtsensor dargestellt, die sinngemäße Erweiterung auf mehr als zwei Lichtquellen sowie die Verwendung und vergleichende Signalauswertung von mehr als zwei Lichtsensoren soll hierdurch nicht beschränkt werden.In the drawing 8th For reasons of clarity, two light sources and one light sensor are shown; the analogous extension to more than two light sources and the use and comparative signal evaluation of more than two light sensors are not intended to be restricted by this.

Die Zeichnung 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Lichtsensoren, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche erfassen sollen. Dabei wird das aus der Lichtquelle (900) abgestrahlte Licht (901) in den zwischen den Elektroden angeordneten Separator (903) innerhalb der Batteriezelle (902) eingekoppelt. Dort erfolgt die zu erfassende Wechselwirkung.The drawing 9 shows an embodiment with several light sensors that are intended to detect different wavelength ranges. This is what happens with the light source (900) emitted light (901) in the separator arranged between the electrodes (903) inside the battery cell (902) coupled. The interaction to be recorded takes place there.

Das Licht wird aus dem Separator ausgekoppelt (904) und zwei Wellenlängenfiltern zugeführt (906 bzw. 909). Diese Filter können vorteilhaft aus farbig transparentem Material gebildet werden. Die Filter können als Prismenanordnung ausgeführt werden, welche verschiedene Spektralbereiche unterschiedlichen Abstrahlwinkeln zuordnet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von verschiedenen Mikrogittern. Hier können Zeilen- oder Array-Strukturen mit mehreren Lichtsensor-Element verwendet werden.The light is coupled out of the separator (904) and fed to two wavelength filters (906 or 909). These filters can advantageously be formed from a colored, transparent material. The filters can be designed as a prism arrangement that assigns different spectral ranges to different radiation angles. Another possibility is to use different microgrids. Line or array structures with several light sensor elements can be used here.

In den nachgelagerten Lichtsensoren (907 und 910) werden nach Spektralbereichen separierte Ausgangsleistungen ermittelt. Diese können optional integriert oder aufsummiert werden (908 und 911), damit Rauscheinflüsse reduziert werden.In the downstream light sensors (907 and 910), output powers are determined according to spectral ranges. These can optionally be integrated or added up (908 and 911) to reduce the effects of noise.

Die Ausgangswerte (912 und 913) werden einer Vergleichsrechnung (914) unterzogen, um einen Ausgangswert (915) zur Indikation des Ladezustandes zu erhalten, der weniger von der absoluten Transmission des gesamten Spektrums abhängt. Dabei ist von Vorteil, dass die Quereinflüsse stark auf die absolute Transmission einwirken und im wesentlichen wellenlängenunabhängig sind. Gleiches gilt für Leistungsschwankungen der Lichtquellen und weitere Alterungseffekte.The output values (912 and 913) are used in a comparison calculation (914) subjected to a baseline (915) to obtain the indication of the state of charge, which is less dependent on the absolute transmission of the entire spectrum. The advantage here is that the cross influences have a strong effect on the absolute transmission and are essentially independent of the wavelength. The same applies to fluctuations in the power of the light sources and other aging effects.

In der Zeichnung 9 werden nur eine Lichtquellen und zwei Lichtsensor dargestellt, die sinngemäße Erweiterung auf mehr als eine Lichtquellen sowie die Verwendung und vergleichende Signalauswertung von mehr als zwei Lichtsensoren ist hierdurch nicht beschränkt. Eine Kombination der Verfahren gemäß Zeichnung 8 und Zeichung 9 kann vorteilhaft sein.In the drawing 9 only one light source and two light sensor are shown, the analogous extension to more than one light source as well as the use and comparative signal evaluation of more than two light sensors is not limited by this. A combination of the methods according to the drawing 8th and drawing 9 can be beneficial.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 20170131357 A1 [0021]
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Claims

Method for metrological observation of the state of charge of lithium-ion battery cells with an optical sensor system, characterized in that - that the optical properties of the active electrode material, which are dependent on the state of charge, are recorded in large areas of the electrode surfaces, - that the necessary optical interaction with the electrode material between Separator and electrode surface in the battery cell takes place, and - that this interaction is detected by measuring changes in the transmission power of the light through the separator, - in order to determine the state of charge from the value of the transmission power.

Procedure according to Claim 1 , characterized in - that at least one light source and / or at least one light sensor acts in the center of a wound structure made of electrode and separator foils.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that at least one light source and / or at least one light sensor acts in the outer area of a wound structure made of electrode and separator foils.

Procedure according to Claim 1 , characterized in - that the coupling and decoupling of the light from the light sources into the separator film takes place directly.

Procedure according to Claim 1 , characterized in - that the charge-dependent reflection properties of the electrode surfaces influence the spectral distribution of the transmission power of the light, and thus - relate to the color and / or the brightness values.

Procedure according to Claim 5 , characterized in - that the coupling and / or the decoupling of the light into the surface of the separator film takes place by means of prisms.

Procedure according to Claim 5 , characterized in - that the coupling and / or the coupling of the light into the surface of the separator film takes place with the help of widenings of the separator material, which considerably exceeds the thickness of the separator film between the electrodes.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the light is passed through the separator surface in sections through linear areas with low porosity and low losses, and that the light is passed in other sections through large separator areas with high porosity and strong interaction with the electrode material takes place.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that selected spectral components of the wavelengths of incident and / or exiting light power are evaluated separately, and that the cross-influences of other physical quantities and systematic measurement errors on the determination of the state of charge via comparative referencing of the measured values of these spectral components be decreased.

Procedure according to Claim 9 , characterized in - that several light sources with different spectral components of the wavelengths are switched on alternately in time, and - that the transmitted light power is received alternately by at least one light sensor, and - that the sensor values recorded one after the other are evaluated comparatively.

Arrangement of an optical sensor system for the metrological observation of the state of charge of lithium-ion battery cells, characterized in that it has at least one light source, a coupling element, a separator film passing through the light, a decoupling element and a light sensor, and - that the passing separator film has at least one of the electrode surfaces touches almost the entire surface, and that there is an interaction of the light with at least one of the electrode surfaces, which influences the light power passed through, and that this light power is detected by the light sensor.

Arrangement according to the preceding claims, characterized in that the light is coupled in and / or out of the separator through transparent prisms.

Arrangement according to the preceding claims, characterized in that the coupling in and / or out coupling of the light into the separator is supported by widening (thickening) the separator material.

Arrangement according to the preceding claims, characterized in that the separator is reduced in porosity in partial areas in order to increase the light conductivity there.

Arrangement according to Claim 14 , characterized in - that melted partial areas are reduced in porosity.

Arrangement for the procedure according to the Claims 9 and 10 , characterized - that several different colored light sources are switched in time division multiplex, and - that the transmitted light power for each of the light sources is determined by the light sensor and then temporarily stored and - that these intermediate values are evaluated together computationally after at least one switching cycle.

Arrangement for the procedure of Claim 9 , characterized in that it has several filters for the light decoupled from the separator and separates according to color (ranges of the light wavelengths) and that light sensors are connected downstream of the filters and that the sensor output values are evaluated together computationally.

Arrangement for the procedure of Claim 9 , characterized in - that the separation according to wavelength ranges is carried out by the prism arrangement, which decouples the light from the separator, - wherein several light sensors are arranged downstream of the prism in the exit angles of the light of the different wavelengths.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the interaction of the light and the electrode material is promoted by bending and / or winding the separator film in the layer structure of the battery cell.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the separator is coated at least on the cathode side with an electrochromic indicator material, the reflection properties of which depend on the ion loading of the cathode.