DE102019125236A1

DE102019125236A1 - Batteriezelle mit einer Diagnoseeinheit, Verfahren zur Zustandsdiagnose einer Batteriezelle, Batterie sowie Kraftfahrzeug mit einer Batterie

Info

Publication number: DE102019125236A1
Application number: DE102019125236.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Hinterberger; Ulrich Vögele; Christian Endisch; Lidiya Komsiyska; Meinert Lewerenz; Christoph Hartmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (14) mit einem zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig ausgebildeten Batteriezellengehäuse (16). Die Erfindung sieht vor, zur Zustandsdiagnose der Batteriezelle (14) das Batteriezellengehäuse (16) als Referenzelektrode zu nutzen. Eine Diagnoseeinheit (32) ist dazu ausgebildet, eine Elektrodenpotentialdifferenz (46) zwischen den Arbeitselektroden (24, 26) der galvanischen Zelle (20) der Batteriezelle (14) zum einen und eine jeweilige Potentialdifferenz (48, 50) zwischen der jeweiligen Arbeitselektrode (24, 26) und dem als Referenzelektrode wirkenden Batteriezellengehäuse (16) zum anderen als Elektrodenpotential zu erfassen, einen Anteil des erfassten Elektrodenpotentials der jeweils kontaktierten Elektrode (24, 26) an der Elektrodenpotentialdifferenz (46) zu ermitteln und dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung mittels einer Zuordnungsfunktion (38) einen Zustand der Batteriezelle (14) zuzuordnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Diagnoseeinheit, ein Verfahren zur Zustandsdiagnose einer Batteriezelle mittels einer Diagnoseeinheit, eine Batterie umfassend zumindest eine Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
Eine Batteriezelle im Sinne der Erfindung ist bevorzugt als eine prismatische Batteriezelle ausgebildet, so wie sie beispielsweise vielfach in Batterien verbaut wird, die als elektrische Energiespeicher für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge (kurz Elektrofahrzeuge) dienen (Traktionsbatterie). Eine solche Batteriezelle weist in der Regel ein Batteriezellengehäuse oder Gehäuse und eine in einem Innenraum des Gehäuses angeordnete galvanische Zelle auf. Bekanntermaßen umfasst eine solche galvanische Zelle zwei Elektroden oder Arbeitselektroden (Kathode und Anode) mit einem jeweiligen Elektrodenpotential oder Arbeitselektrodenpotential (Kathodenpotential und Anodenpotential). Die beiden Arbeitselektroden sind in der Regel elektrisch voneinander und von dem Batteriezellengehäuse isoliert und mit einem ebenfalls in dem Innenraum des Batteriezellengehäuses angeordneten Ionenleitermedium in Kontakt stehend. Die beiden Arbeitselektroden können als Folien ausgebildet und zu einem Zellwickel im Innenraum des Gehäuses aufgewickelt sein. Das Ionenleitermedium kann beispielsweise in Form eines nicht-wässrigen Elektrolyten vorliegen und den Zellwickel umfließen. Typischerweise weist eine solche Batteriezelle einen elektrisch leitend mit der ersten Elektrode verbundenen ersten Spannungsabgriff oder Pol und einen elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode verbundenen zweiten Spannungsabgriff oder Pol auf. Ein jeweiliger Pol führt dabei aus dem Innenraum der Batteriezelle in einen die Batteriezelle umgebenden Außenraum, wo er elektrisch mit einem Verbraucher oder mit einem Pol einer weiteren Batteriezelle kontaktiert sein kann.
Bekannte Diagnoseverfahren sehen nun vor, die beiden Pole einer solchen Batteriezelle elektrisch über ein Spannungsmessgerät, beispielsweise ein Voltmeter mit einem hohen elektrischen Widerstand miteinander zu verbinden, um die sich zwischen den Arbeitselektroden einstellende Elektrodenpotentialdifferenz oder Zellspannung zu messen. Bekanntermaßen kann die erfasste Zellspannung Aufschluss über einen jeweiligen Ladezustand (State of Charge - SOC) oder einen Gesundheitszustand (State of Health - SOH) der Batteriezelle geben. Dabei sind in nachteiliger Weise die einzelnen Elektrodenpotentiale oder Arbeitselektrodenpotentiale, also ein jeweiliges Kathodenpotential und ein jeweiliges Anodenpotential, nicht bekannt, sondern nur ihre Differenz, also die Zellspannung.
Um hier Abhilfe zu schaffen, sieht der Stand der Technik vor, eine dritte Elektrode als Referenzelektrode zu verwenden, wobei eine jeweilige Potentialdifferenz zwischen einem Referenzelektrodenpotential und einem jeweiligen Arbeitselektrodenpotential erfasst wird. Als Referenzelektroden werden im Bereich der Lithium-Ionen Batterieforschung beispielsweise Lithium-Metall oder Lithium-Titanat Elektroden in speziell gefertigten Testbatteriezellen verwendet. Diese Referenzelektroden haben ein bekanntes relatives Referenzelektrodenpotential, welches beispielsweise gegenüber der Standardwasserstoffelektrode, welche das willkürlich gewählte Standardpotential von 0 V aufweist, angegeben ist, so dass aus der Potentialdifferenz leicht das jeweilige Arbeitselektrodenpotential berechnet werden kann (beispielsweise durch einfache Subtraktion von Potenzialdifferenz und Referenzelektrodenpotential).
So beschreiben beispielsweise die US 9 698 451 B2 und die DE 10 2018 126 554 A1 jeweils eine Batteriezellenanordnung mit zwei Arbeitselektroden und einer als zusätzliches Bauteil ausgebildeten dritten Elektrode oder Referenzelektrode. Nachteilig hierbei ist der zusätzliche konstruktive Aufwand des Einbringens einer weiteren Elektrode in die galvanische Zelle. Damit einhergehend können in nachteiliger Weise Undichtigkeiten des Batteriezellengehäuses durch das Hinausführen der Referenzelektrode aus dem Batteriezellengehäuse auftreten. Zusätzliche Bauteile und/oder Dichtungen sind demnach erforderlich.
Die DE 10 2011 120 512 A1 beschreibt ebenfalls eine Batteriezelle, wobei eine metallische Zwischenschicht als eine Gehäuseschicht zwischen zwei elektrisch nicht leitfähigen Kunststoffschichten angeordnet ist. Tritt ein Schaden an der dem Innenraum der Batteriezelle zugewandten Kunststoffschicht auf, so stellt sich an der metallischen Zwischenschicht ein elektrisches Potential ein. Dieses elektrische Potential kann dann als ein Hinweis auf eine Beschädigung der innenliegenden Kunststoffschicht ausgewertet werden. In nachteiliger Weise findet hier keine kontinuierliche oder permanente Analyse eines jeweiligen Arbeitselektrodenpotentials statt.
Die DE 10 2013 226 663 A1 beschreibt eine Fahrzeugbatterie mit einem Zellengehäuse, wobei das Zellengehäuse als Arbeitselektroden eine Kathode und eine Anode und eine ein elektrisches Referenzpotential aufweisende Referenzelektrode aufweist. Als Referenzelektrodenpotential kann hierbei ein jeweiliges elektrisches Potential eines Zellgehäuses verwendet werden. Durch eine Messschaltung kann indirekt eine Potentialdifferenz zwischen einem Pluspotential der Kathode und dem Referenzpotential einerseits und zwischen einem Minuspotential der Anode und dem Referenzpotential andererseits ermittelt werden. Aus den genannten Potentialdifferenzen kann dann eine Potentialdifferenz zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential ermittelt werden. Eine Analyse oder Auswertung eines jeweiligen Arbeitselektrodenpotentials hinsichtlich eines Zustands der Batteriezelle ist nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Verhältnis zu einer Spannungsmessung an den Arbeitselektroden eine Präzision einer Zustandsdiagnose einer Batteriezelle der eingangs beschriebenen Art mit geringem technischem Aufwand zu erhöhen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass auch von den Arbeitselektroden verschiedene elektrisch leitende Materialien, falls sie in Kontakt mit einem Elektrolyten stehen, ein elektrochemisches Potential aufweisen.
Durch die Erfindung ist eine Batteriezelle der eingangs beschriebenen Art bereitgestellt. Die Batteriezelle weist, wie oben beschrieben, ein Batteriezellengehäuse und eine in einem Innenraum des Batteriezellengehäuses angeordnete galvanische Zelle auf. Das Batteriezellengehäuse oder Gehäuse weist zumindest einen aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildeten Gehäuseabschnitt auf. Das Batteriezellengehäuse ist also bevorzugt als Ganzes oder nur bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem Metall, ausgebildet.
Die galvanische Zelle umfasst eine erste und eine zweiten Elektrode oder Arbeitselektrode mit einem jeweiligen Elektrodenpotential, wobei die Elektroden bevorzugt zu einem Zellwickel aufgewickelt sind. Die erste Elektrode kann beispielsweise als eine positive Elektrode oder Kathode und die zweite Elektrode kann als eine negative Elektrode oder Anode ausgebildet sein. Eine jeweilige Kathode weist also ein Kathodenpotential und eine jeweilige Anode weist ein Anodenpotential auf. Die beiden Elektroden sind elektrisch von dem Batteriezellengehäuse isoliert und mit einem ebenfalls in dem Innenraum des Batteriezellengehäuses angeordneten lonenleitermedium, welches beispielsweise in Form eines nicht-wässrigen Elektrolyten vorliegen kann, in Kontakt stehend. Eine elektrische Isolierung der Elektroden voneinander im Innenraum des Batteriezellengehäuses kann beispielsweise mithilfe einer sogenannten Separatorfolie realisiert sein. Zwischen den Arbeitselektroden besteht also innerhalb der Batteriezelle keine elektrische Verbindung im Sinne einer galvanischen Verbindung, wohl aber eine ionische Verbindung über das Ionenleitermedium. Hier wird hier im Zusammenhang mit der Erfindung unterschieden.
In bekannter Art und Weise weist die Batteriezelle darüber hinaus einen elektrisch leitend mit der ersten Elektrode verbundenen ersten Spannungsabgriff oder Pol und einen elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode verbundenen zweiten Spannungsabgriff oder Pol auf. Ein jeweiliger Pol führt dabei aus dem Innenraum der Batteriezelle in einen die Batteriezelle umgebenden Außenraum, wo er elektrisch mit einem Verbraucher oder mit einem weiteren Pol einer weiteren Batteriezelle kontaktiert sein kann.
Eine Diagnoseeinheit der Batteriezelle, welche beispielsweise als eine Diagnoseschaltung mit einem Halbleiterschaltelement oder als ein Prozessor ausgestaltet sein kann, ist dazu ausgebildet, den ersten und den zweiten Pol zumindest zeitweise elektrisch zu kontaktieren und eine sich bei erfolgreicher Kontaktierung zwischen den Elektroden einstellende Elektrodenpotentialdifferenz oder Zellspannung zu erfassen. Die elektrische Kontaktierung kann dabei beispielsweise durch das Ansteuern des entsprechenden Halbleiterschaltelements hergestellt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Halbleiterschaltelement einen hinreichend großen elektrischen Widerstand aufweist, so dass es nicht zu einem Kurzschluss der Batteriezelle kommt. Zum Erfassen der Zellspannung kann die Diagnoseeinheit beispielsweise mit einem Spannungsmessgerät oder Voltmeter ausgerüstet sein. Die Diagnoseeinheit kann sich dabei direkt an der Batteriezelle befinden oder von der Batteriezelle entfernt, beispielsweise als Teil einer übergeordneten Steuereinrichtung, angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildete Gehäuseabschnitt an einer dem Innenraum des Batteriezellengehäuses zugewandten Seite permanent mit dem Ionenleitermedium oder Elektrolyten in Kontakt steht und hierdurch ein elektrisches Gehäusepotential oder Referenzpotential aufweist. Wie oben beschrieben, kann der zumindest eine Gehäuseabschnitt beispielsweise aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet sein. Der Gehäuseabschnitt steht mit anderen Worten permanent oder durchgehend oder kontinuierlich mit dem Ionenleitermedium in Kontakt oder ist ionisch mit diesem leitend verbunden. Hierdurch findet eine Ionenabgabe von dem Gehäuseabschnitt an den Elektrolyten und eine Elektronenaufnahme des Gehäuseabschnitts aus dem Elektrolyten statt, wodurch sich an dem Gehäuseabschnitt das genannte elektrische Referenzpotential einstellt. Da auch der Zellwickel ionisch leitend mit dem Elektrolyten in Verbindung steht, ist mit anderen Worten der Gehäuseabschnitt ionisch mittels des Elektrolyten mit dem Zellwickel der Batteriezelle gekoppelt. Gleichzeitig ist der Gehäuseabschnitt elektrisch von dem Zellwickel isoliert.
Die Diagnoseeinheit der Batteriezelle ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, den Gehäuseabschnitt zumindest zeitweise als Referenzelektrode bezüglich zumindest einer der Arbeitselektroden einerseits und die zumindest eine Arbeitselektrode andererseits elektrisch zu kontaktieren. Dies kann beispielsweise durch ein zumindest zeitweises elektrisches Kontaktieren des als Referenzelektrode wirkenden Gehäuseabschnitts einerseits und des mit der zumindest einen Arbeitselektrode elektrisch leitend verbundenen Spannungsabgriffs andererseits realisiert sein. Wie oben beschrieben, kann auch diese Kontaktierung beispielsweise durch das Ansteuern eines entsprechenden Schaltelements der Diagnoseeinheit erfolgen. Bei erfolgreicher Kontaktierung stellt sich eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem als Referenzelektrode wirkenden Gehäuseabschnitt und der zumindest einen Arbeitselektrode ein. Im Folgenden ist diese Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der zumindest einen Arbeitselektrode als Elektrodenpotential oder Arbeitselektrodenpotential (Kathodenpotential und/oder Anodenpotential) bezeichnet.
Die Diagnoseeinheit ist nun erfindungsgemäß dazu ausgebildet, die oben genannte Elektrodenpotentialdifferenz oder Zellspannung zwischen den Arbeitselektroden einerseits und die Potentialdifferenz zwischen der zumindest einen Arbeitselektrode und dem als Referenzelektrode wirkenden Gehäuseabschnitt andererseits zu erfassen. Es wird also ein Kathodenpotential und/oder ein Anodenpotential bezüglich der Referenzelektrode erfasst. Nun wird ein Anteil des Elektrodenpotentials der jeweils kontaktierten Elektrode an der Elektrodenpotentialdifferenz oder Zellspannung ermittelt und dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung mittels einer Zuordnungsfunktion ein Zustand der Batteriezelle zugeordnet.
Mit anderen Worten dient die Referenzelektrode bzw. das Referenzelektrodenpotential als Bezugspunkt, um aus der jeweiligen Potentialdifferenz das jeweilige Arbeitselektrodenpotential zu ermitteln, das thermodynamisch bedingt sein kann und beispielsweise von einem Ladezustand (State of Charge - SOC) und/oder einem Gesundheitszustand (State of Health - SOH) einer jeweiligen Batteriezelle abhängt.
Erfindungsgemäß ist die Diagnoseeinheit also dazu ausgebildet, einen Anteil des jeweiligen Arbeitselektrodenpotentials an der Zellspannung zu ermitteln. Die Anteilsermittlung kann beispielsweise durch eine Subtraktion des jeweiligen Arbeitselektrodenpotentials von der Zellspannung erfolgen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Zellspannung das Ergebnis einer Subtraktion der Arbeitselektrodenpotentiale, also Kathodenpotential und Anodenpotential, voneinander darstellt (Kathodenpotential - Anodenpotential = Zellspannung, beispielsweise 1 V - (-2 V) = 3 V). Bei einer Zellspannung von 3 V und einem Anodenpotential von -2 V hat also das Anodenpotential betragsmäßig einen Anteil von 2 V an der Zellspannung von insgesamt 3 V. Mit anderen Worten hält in diesem Beispiel das Kathodenpotential betragsmäßig einen Anteil von einem Drittel (1 V) an der Zellspannung und das Anodenpotential hält einen Anteil von zwei Dritteln (-2 V).
Erfindungsgemäß ordnet die Diagnoseeinheit dem Ergebnis der Anteilsermittlung mittels einer Zuordnungsfunktion einen Zustand der Batteriezelle zu.
Die Zuordnungsfunktion ist bevorzugt eine Funktion, deren Ausgabewert von den ermittelten Anteilen und/oder einem relativen Verhältnis der ermittelten Anteile zueinander und/oder von einem relativen Verhältnis jeweiliger Entladekurven und/oder von den absoluten Werten des ermittelten Kathoden- und/oder Anodenpotentials abhängig ist. Die Zuordnungsfunktion ist mit anderen Worten dazu ausgebildet, einem jeweils ermittelten Anteil einen jeweiligen Zustand der Batteriezelle zuzuordnen. Die Zuordnungsfunktion kann als ein Rechenprogramm und/oder als eine Zuordnungstabelle (Look-up-Tabelle) und/oder als eine Kennlinie / ein Kennfeld ausgestaltet sein. Sie kann mittels Prototypen, deren Zustand bekannt ist, ermittelt und/oder kalibriert werden.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass jeweils einzeln eine Anodenpotentialdifferenz (oder Anodenspannung) zwischen Anode und Referenzelektrode und eine Kathodenpotentialdifferenz (oder Kathodenspannung) zwischen Kathode und Referenzelektrode simultan zur Zellspannung erfasst werden kann. Hierdurch lässt sich ein Zustand der Batteriezelle präziser bestimmen, als wenn lediglich nur eine Elektrodenpotentialdifferenz oder Zellspannung zwischen Anode und Kathode erfasst werden kann. Als besonders vorteilhaft ist es hierbei anzusehen, dass durch die Verwendung des Batteriezellengehäuses oder des zumindest einen aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildeten Gehäuseabschnitts des Batteriezellengehäuses als Referenzelektrode auf ein zusätzliches Bauteil verzichtet werden kann.
Über diesen generellen Vorteil einer Verwendung einer Referenzelektrode hinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße Zuordnungsfunktion der weitere Vorteil, dass ein jeweiliger Potentialanteil oder Anteil, den eine und/oder beide der Arbeitselektroden zu der Zellspannung beiträgt/beitragen, ausgewertet werden kann. Die Analyse der Potentialanteile erlaubt einen direkten Rückschluss auf das Elektrodenpotential und/oder den Elektrodenpotentialverlauf derjenigen Arbeitselektrode der Batteriezelle, welche nicht durch die Diagnoseeinheit mit dem Gehäuseabschnitt elektrisch kontaktiert ist.
Durch die Erfindung und speziell durch die erfindungsgemäße Zuordnungsfunktion wird es also in vorteilhafter Weise ermöglicht, in einem einzigen Auswerteschritt und mit minimiertem Materialaufwand eine detaillierte Überwachung jeder der beiden Arbeitselektroden für sich genommen bereitzustellen.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
So sieht eine Ausführungsform vor, dass der Gehäuseabschnitt als Gehäuseboden oder als Gehäusewand oder als Gehäusedeckel des Batteriezellengehäuses ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann beispielsweise ein Gehäusedeckel als Referenzelektrode auf das Batteriezellengehäuse montiert sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf ein zusätzliches Bauteil als Referenzelektrode verzichtet werden kann. Außerdem kann auf zusätzliche Dichtungen in dem Gehäuse verzichtet werden. Es ergibt sich also vorteilhaft eine erhöhte Betriebssicherheit der Batteriezelle.
Ist der Gehäuseabschnitt materialbedingt nicht als ideale Referenzelektrode verwendbar, sondern weist in der Art einer Pseudoreferenzelektrode ein sich zeitlich änderndes Referenzpotential auf, so ändert sich natürlich auch der Bezugspunkt zur Ermittlung eines jeweiligen Arbeitselektrodenpotentials. Im Ergebnis verschiebt sich also die Potentialdifferenz zwischen dem als Referenzelektrode wirkenden Gehäuseabschnitt und der jeweiligen Arbeitselektrode. Dies kann die Anteilsermittlung verfälschen. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht daher vor, dass die Diagnoseeinheit dazu ausgebildet ist, zum Ermitteln einer ebensolchen Verschiebung des Bezugspunkts oder Polarisation den Gehäuseabschnitt als Referenzelektrode bezüglich der ersten und der zweiten Elektrode und zumindest zeitweise zur gleichen Zeit sowohl den ersten als auch den zweiten Spannungsabgriff elektrisch zu kontaktieren. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, beispielsweise mittels Ansteuerung entsprechender Schaltelemente der Diagnoseeinheit, den Gehäuseabschnitt als Referenzelektrode gleichzeitig mit beiden Arbeitselektroden elektrisch zu kontaktieren. In einer solchen Anordnung werden mit anderen Worten gleichzeitig (i) eine Elektrodenpotentialdifferenz oder Zellspannung zwischen Kathode und Anode, (ii) eine Kathodenpotentialdifferenz zwischen Referenzelektrode und Kathode sowie (iii) eine Anodenpotentialdifferenz zwischen Referenzelektrode und Anode erfasst. Da die genannte Polarisation oder Verschiebung in der Höhe ihres Betrags sowohl in die Kathodenpotentialdifferenz, als auch in die Anodenpotentialdifferenz eingeht, jedoch mit gegenläufigen Vorzeichen (also einmal negativ und einmal positiv), wird der Netto-Effekt der Polarisation aufgehoben. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass unabhängig von dem Material des Gehäuseabschnitts und damit einhergehenden elektrochemischen Eigenschaften des Gehäuseabschnitts eine zuverlässige Zustandsdiagnose der Batteriezelle ermöglicht ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an der dem Innenraum der Batteriezelle zugewandten Seite des Gehäuseabschnitts eine, insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildete, Korrosionsschicht angeordnet. Dies erhöht in vorteilhafter Weise eine Lebensdauer der Batteriezelle. Um den gewünschten Korrosionsschutz zu erhalten, kann es auch vorgesehen sein, aus Aluminium ausgebildete Gehäuse oder Teile davon mit chemisch und/oder physikalisch stabilen Materialien mit einer in Bezug auf das Gehäusematerial geringeren Polarisationsneigung zu beschichten. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist bevorzugt zwischen der galvanischen Zelle und dem Batteriezellengehäuse oder dem zumindest einen Batteriezellengehäuseabschnitt eine elektrisch isolierende und für das Ionenleitermedium durchlässig ausgestaltete Zwischenschicht angeordnet. Eine solche Zwischenschicht kann beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus einem porösen Keramikverbundstoff gefertigt sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Batteriezellengehäuse oder der zumindest eine elektrisch leitfähige Gehäuseabschnitt elektrisch von den zu einem Zellwickel angeordneten Arbeitselektroden isoliert ist, wobei gleichzeitig eine ionische Kopplung zwischen dem elektrisch leitenden Gehäuseabschnitt und dem Zellwickel ermöglicht ist (z.B. mittels einer Perforation und/oder einen ionendurchlässigen Bereich eines Beutels, in welchem das Elektrolyt in dem Gehäuse angeordnet ist). Es wird also in vorteilhafter Weise ein elektrischer Kurzschluss zwischen Zellwickel und elektrisch leitendem Gehäuseabschnitt vermieden. Dank der Zwischenschicht müssen zur Vermeidung des elektrischen Kurzschlusses der Gehäuseabschnitt und der Zellwickel dennoch nicht unnötig weit voneinander beabstandet sein, wodurch Bauraum eingespart werden kann.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Batterie mit zumindest einer oben beschriebenen Batteriezelle. Die Batterie kann bevorzugt, wie oben beschrieben, als elektrischer Energiespeicher in einem Elektrofahrzeug verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Batterie ist die oben beschriebene übergeordnete Steuereinrichtung der Batterie zugeordnet. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) der Batterie realisiert sein. Durch die Steuereinrichtung kann beispielsweise eine oben beschriebene Diagnoseeinheit bereitgestellt sein. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt dazu ausgebildet, ein den Zustand einer jeweiligen Batteriezelle beschreibendes Diagnosesignal von einer jeweiligen Diagnoseeinheit zu empfangen und in Abhängigkeit von dem empfangenen Diagnosesignal eine vorbestimmte Schutzmaßnahme für die Batterie auszulösen. Ermittelt also beispielsweise die Diagnoseeinheit gemäß der oben beschriebenen Zuordnungsfunktion einen schadhaften oder fehlerhaften Zustand einer jeweiligen Batteriezelle, so kann sie bevorzugt ein den Zustand beschreibendes Diagnosesignal, beispielsweise in Form eines Schaltsignals, an die Steuereinrichtung übermitteln. Eine vorbestimmte Schutzmaßnahme für die Batterie kann beispielsweise in einem Stromlosschalten der jeweiligen Batteriezelle bestehen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Kraftfahrzeug mit einer oben beschriebenen Batterie. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Zustandsdiagnose einer Batteriezelle. Die Batteriezelle weist dabei ein Batteriezellengehäuse mit zumindest einem aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildeten Gehäuseabschnitt auf. Des Weiteren weist die Batteriezelle eine in einem Innenraum des Batteriezellengehäuses angeordnete galvanische Zelle, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode mit einem jeweiligen Elektrodenpotential auf. Die Elektroden oder Arbeitselektroden sind elektrisch voneinander und von dem Batteriezellengehäuse isoliert und mit einem ebenfalls in dem Innenraum angeordneten Ionenleitermedium in Kontakt stehend. Die Batteriezelle weist außerdem einen elektrisch leitend mit der ersten Elektrode verbundenen ersten Spannungsabgriff oder Pol und einen elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode verbundenen zweiten Spannungsabgriff oder Pol auf. Eine Diagnoseeinheit für die Batteriezelle ist dazu ausgebildet, den ersten und den zweiten Pol zumindest zeitweise elektrisch zu kontaktieren und eine sich bei erfolgreicher Kontaktierung zwischen den Arbeitselektroden einstellende Elektrodenpotentialdifferenz zu erfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Innenraum des Batteriezellengehäuses zugewandte Seite des zumindest einen Gehäuseabschnitts permanent mit dem Ionenleitermedium kontaktiert wird. Hierdurch stellt sich an dem Gehäuseabschnitt ein elektrisches Referenzpotential ein. Die Diagnoseeinheit kontaktiert zumindest zeitweise einerseits den Gehäuseabschnitt als Referenzelektrode bezüglich zumindest einer der Elektroden der galvanischen Zelle elektrisch und andererseits zumindest eine der Elektroden, beispielsweise über den mit der zumindest einen Elektrode elektrisch leitend verbundenen Spannungsabgriff. Dabei ergibt sich in Abhängigkeit von dem aktuellen elektrischen Elektrodenpotential der zumindest einen Arbeitselektrode eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Gehäuseabschnitt und der zumindest einen Arbeitselektrode, welche von der Diagnoseeinheit als Elektrodenpotential der jeweiligen Arbeitselektrode erfasst wird. Die Diagnoseeinheit ermittelt sodann einen Anteil des erfassten Elektrodenpotentials der jeweils kontaktierten Elektrode an der Elektrodenpotentialdifferenz oder Zellspannung und ordnet dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung mittels einer Zuordnungsfunktion einen Zustand der Batteriezelle zu.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben. Auch weist das erfindungsgemäße Verfahren gemäß möglicher Weiterbildungen Merkmale auf, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batterie beschrieben worden sind.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie und einer Batteriezelle;
2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle;
3 eine weitere schematische Darstellung einer Batteriezelle;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Anteile der jeweiligen Arbeitselektrodenpotentiale an einer jeweiligen Zellspannung mehrerer Batteriezellen im Ruhezustand;
5 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden.
Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Batterie 12. Die Batterie 12 weist eine Batteriezelle 14 auf. Die Batteriezelle 14 umfasst ein Batteriezellengehäuse 16, welches zumindest einen aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildeten Gehäuseabschnitt 18 aufweist. Der Gehäuseabschnitt 18 kann dabei an einer beliebigen Position des Batteriezellengehäuses 16 angeordnet sein. Bevorzugt ist der elektrisch leitende Gehäuseabschnitt 18 als ein Gehäusedeckel oder als eine Gehäusewand oder als ein Gehäuseboden des Batteriezellengehäuses 16 ausgebildet.
Darüber hinaus zeigt die Batteriezelle 14 der 1 eine galvanische Zelle 20, welche in einem Innenraum 22 des Batteriezellengehäuses 16 angeordnet ist. Die galvanische Zelle 20 umfasst eine erste Elektrode 24, welche in der 1 als eine positive Elektrode oder eine Kathode ausgebildet ist. Darüber hinaus umfasst die galvanische Zelle 20 eine zweite Elektrode 26, welche in der 1 als eine negative Elektrode oder Anode ausgebildet ist. Die erste Elektrode 24 ist in der 1 mit einem ersten Spannungsabgriff 28 oder Pol elektrisch leitend verbunden. Die zweite Elektrode 26 ist mit einem zweiten Spannungsabgriff 30 elektrisch leitend verbunden. Die 1 zeigt darüber hinaus eine Diagnoseeinheit 32, welche dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Spannungsabgriff 28, 30 zumindest zeitweise elektrisch zu kontaktieren. In der 1 ist dies anhand eines Schaltelements 34 zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsabgriff 28, 30 dargestellt. Übermittelt die Diagnoseeinheit 32 also beispielsweise ein entsprechendes Schaltsignal 36 an das Schaltelement 34, so wird dieses geschlossen, woraufhin eine erfolgreiche Kontaktierung erfolgt und sich zwischen den beiden Elektroden 24, 26 eine Elektrodenpotentialdifferenz 46 oder Zellspannung (siehe 4) einstellt. Mit anderen Worten findet eine Spannungsmessung oder Messung der Zellspannung statt, wobei das Schaltelement 34 einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, so dass die beiden Elektroden 24, 26 nicht kurzgeschlossen werden.
In dem konkreten Ausführungsbeispiel der 1 ist die Diagnoseeinheit 32 dazu eingerichtet, den Gehäuseabschnitt 18 und zumindest zeitweise die Anode 26 der 1 für eine Spannungsmessung der Anodenpotentialdifferenz 50 (siehe 4) elektrisch zu kontaktieren. In dem in der 1 gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Kontaktierung mittels Ansteuerung eines weiteren Schaltelements 34 durch die Diagnoseeinheit 32. Bei erfolgreicher elektrischer Kontaktierung stellt sich zwischen dem Gehäuseabschnitt 18 und der Anode 26 die Anodenpotentialdifferenz 50 (siehe 4) ein. Die Diagnoseeinheit 32 der 1 ist nun dazu ausgebildet, die Elektrodenpotentialdifferenz 46 oder Zellspannung zwischen Kathode 24 und Anode 26 einerseits und die Anodenpotentialdifferenz 50 zwischen Gehäuseabschnitt 18 und Anode 26 als Anodenpotential andererseits zu erfassen und den Anteil, den das Anodenpotential an der Elektrodenpotentialdifferenz 46 hält, zu ermitteln. Dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung kann die Diagnoseeinheit mittels einer Zuordnungsfunktion 38 einen Zustand der Batteriezelle 14 zuzuordnen. Die Diagnoseeinheit 32 kann bevorzugt ein den Zustand beschreibendes Diagnosesignal 40 an eine Steuereinrichtung 42 der Batterie 12 übermitteln. Die Steuereinrichtung 42 kann nun ihrerseits bevorzugt das Diagnosesignal 40 von der Diagnoseeinheit 32 empfangen und in Abhängigkeit von dem empfangenen Diagnosesignal 40 eine vorbestimmte Schutzmaßnahme 44 für die Batterie 12 auslösen. Eine jeweilige Spannungsmessung oder Potentialdifferenzmessung kann beispielsweise durch einen Analog-Digital-Wandler mithilfe eines Mikrocontrollers durch die Diagnoseeinheit 32 erfasst werden.
Unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit der 1 genannten und beschriebenen Komponenten zeigt die 2 nun eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 14, wobei die in der 2 gezeigte Messanordnung eine Erfassung der Elektrodenpotentialdifferenz 46 und simultan der Kathodenpotentialdifferenz 48 (siehe 4) vorsieht.
Ebenfalls unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit den 1 und 2 benannten und beschriebenen Komponenten zeigt die 3 nun eine Messanordnung, in der eine gleichzeitige Vermessung von Kathoden- und Anodenpotentialdifferenz 48, 50 bezüglich des Referenzpotentials des Gehäuseabschnitts 18 durchgeführt wird.
4 zeigt beispielhaft ein mögliches resultierendes Messergebnis einer anhand der in 3 gezeigten Messanordnung durchgeführten Messung. Auf der x-Achse ist dabei eine jeweilige Batteriezellennummer N aufgetragen. Auf der y-Achse ist eine jeweilige Spannung oder Potentialdifferenz V aufgetragen. Ein Mittelwert einer jeweiligen Elektrodenpotentialdifferenz 46 liegt dabei bei einem Wert von 3,3 Volt. Ein Mittelwert einer jeweiligen Kathodenpotentialdifferenz 48 liegt dabei bei einem Wert von 1,1 Volt. Ein jeweiliger Mittelwert einer Anodenpotentialdifferenz 50 liegt hingegen bei einem Wert von -2 Volt. Da sowohl die Kathodenpotentialdifferenz 48, als auch die Anodenpotentialdifferenz 50 gegenüber derselben Referenzelektrode und also gegenüber demselben Referenzpotential gemessen sind, steht ein jeweiliger Betrag einer Arbeitselektrodenpotentialdifferenz 48, 50 stellvertretend für das jeweilige Arbeitselektrodenpotential (Normierung gegenüber dem Referenzpotential). Da, wie oben beschrieben der Zusammenhang Kathodenpotential - Anodenpotential = Zellspannung gilt, kann durch Ermitteln eines der Arbeitselektrodenpotentiale bei bekannter Zellspannung das jeweils andere Arbeitselektrodenpotential durch Addition oder Subtraktion berechnet werden.
Durch Umrandungen 52 sind die Zellen 5 und 6 sowie 9 und 10 hervorgehoben. Die gemessenen Potentialdifferenzen 46, 48, 50 dieser Zellen weichen deutlich von den genannten Mittelwerten ab. Die Ermittlung eines jeweiligen Anteils einer Arbeitselektrode und/oder beider Arbeitselektroden 24, 26 bzw. deren jeweiliger Arbeitselektrodenpotentiale an der ermittelten Zellspannung durch die Diagnoseeinheit 32 und die Zuordnung des Ergebnisses der Anteilsermittlung zu einem Zustand der Batteriezelle 14 mittels der Zuordnungsfunktion 38 erlaubt vorteilhaft einen Rückschluss darauf, ob und/oder welche der Arbeitselektroden 24, 26 in einem kritischen Zustand ist. Ein kritischer Zustand kann beispielsweise eine Tiefenentladung sein. So kann eine jeweilige Diagnoseeinheit 32 mittels der Zuordnungsfunktion 38 aus dem jeweiligen Ergebnis der Anteilsermittlung einen Zustand der jeweiligen Batteriezelle 14 ableiten. Zudem kann in vorteilhafter Weise aus der Elektrodenpotentialdifferenz 46 und einer der Potentialdifferenzen 48 oder 50 auf die jeweils andere Potentialdifferenz 50 oder 48 geschlossen werden, ohne einen zusätzlichen Messschritt durchführen zu müssen. Die einzelnen Elektrodenspannungen oder Potentialdifferenzen 48, 50 können also entweder direkt oder indirekt durch Berechnung und/oder Korrekturfaktoren der Zuordnungsfunktion 38 bestimmt werden. Die in 4 gezeigten Spannungen entsprechen Leerlaufspannungen von Lithium-Ionen Zellen mit unterschiedlichen Ladezuständen.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine Batteriezelle 14 bereitgestellt. Die Batteriezelle 14 umfasst bevorzugt zumindest ein Batteriezellengehäuse 16 mit einem aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildeten Gehäuseabschnitt 18, eine in einem Innenraum 22 des Batteriezellengehäuses 16 angeordnete galvanische Zelle 20, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode 24, 26 mit einem jeweiligen Elektrodenpotential, wobei die Elektroden 24, 26 elektrisch voneinander und von dem Batteriezellengehäuse 16 isoliert sind und mit einem ebenfalls in dem Innenraum 22 angeordneten Ionenleitermedium in Kontakt stehen. Die Batteriezelle 14 weist außerdem einen elektrisch leitend mit der ersten Elektrode 24 verbundenen ersten Spannungsabgriff 28 und einen elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode 26 verbundenen zweiten Spannungsabgriff 30 auf. Ebenso wird im Verfahrensschritt S1 eine Diagnoseeinheit 32 bereitgestellt, die dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Spannungsabgriff 28, 30 zumindest zeitweise elektrisch zu kontaktieren und eine sich bei erfolgreicher Kontaktierung zwischen den Elektroden 24, 26 einstellende Elektrodenpotentialdifferenz 46 zu erfassen. Die Erfassung der sich einstellenden Elektrodenpotentialdifferenz 46 erfolgt beispielsweise mit einem Voltmeter, welches einen hinreichend hohen elektrischen Widerstand bereitstellt, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Elektroden 24, 26 zu verhindern.
In einem Verfahrensschritt S2 wird eine dem Innenraum 22 des Batteriezellengehäuses 16 zugewandte Seite des zumindest einen Gehäuseabschnitts 18 permanent mit dem Ionenleitermedium kontaktiert. Hierdurch stellt sich an dem Gehäuseabschnitt 18 ein elektrisches Referenzpotential ein.
In einem Verfahrensschritt S3 kontaktiert die Diagnoseeinheit 32, beispielsweise durch Ansteuerung eines Schaltelements 34, zumindest zeitweise den Gehäuseabschnitt 18 als Referenzelektrode bezüglich zumindest einer der Elektroden 24, 26 der galvanischen Zelle 20 und die zumindest eine Elektrode 24, 26 elektrisch, beispielsweise über den elektrisch leitend mit der jeweiligen Elektrode 24, 26 verbundenen Spannungsabgriff 28, 30. Hierdurch stellt sich in Abhängigkeit von dem aktuellen elektrischen Elektrodenpotential der zumindest einen Elektrode 24, 26 eine elektrische Potentialdifferenz 48, 50 zwischen dem als Referenzelektrode ausgebildeten Gehäuseabschnitt 18 und der zumindest einen Elektrode 24, 26 ein, welche von der Diagnoseeinheit 32 als ein jeweiliges Elektrodenpotential oder Arbeitselektrodenpotential der jeweiligen Elektrode 24, 26 erfasst wird.
In einem Verfahrensschritt S4 ermittelt die Diagnoseeinheit 32 einen Anteil des jeweiligen Arbeitselektrodenpotentials an der Elektrodenpotentialdifferenz 46 oder Zellspannung.
Mittels einer Zuordnungsfunktion 38 ordnet die Diagnoseeinheit 32 in einem Verfahrensschritt S5 dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung einen Zustand der Batteriezelle 14 zu. Hierzu werden beispielsweise die ermittelten Anteile mit entsprechenden Datenbanken und/oder Look-up Tabellen verglichen.
Bekannte kommerzielle Batteriezellen 14 haben zwei Elektroden 24, 26. Eine davon wird als Anode (-) und die andere als Kathode (+) bezeichnet. Im Betrieb wird entsprechend die Zellspannung oder Elektrodenpotentialdifferenz 46 aus der Differenz der Elektrodenpotenziale erfasst. Dabei sind die einzelne Elektrodenpotenziale nicht bekannt. In klassischen elektrochemischen Untersuchungen wird zur Erfassung des Potenzials der einzelnen Elektroden eine dritte Referenzelektrode in den elektrochemischen Zellen oder galvanischen Zellen 20 eingebaut.
Als Referenzelektroden werden im Bereich der Li-Ionen Batterieforschung typischerweise Li-Metall oder Lithium Titanat in speziell gefertigte Testzellen verwendet. Seit kurzem wird es angestrebt, Referenzelektroden in kommerziellen Batteriezellen und insbesondere Li-Ionen Batteriezellen zur erweiterten Diagnostik zu integrieren.
In einer konkreten Ausführungsform der Erfindung soll das Gehäuse 16 von Batteriezellen 14, insbesondere Teile (oder elektrisch leitend ausgebildete Gehäuseabschnitte 18) des Gehäuses 16, als Referenz- bzw. Pseudoreferenzelektroden genutzt werden. Dabei können durch Vermessung der Spannung zwischen Gehäuse und Elektroden (also durch Vermessung einer Kathodenpotentialdifferenz 48 und/oder einer Anodenpotentialdifferenz 50), die Potenzialverläufe der einzelnen Elektroden simultan zu den Zellspannungsverläufen (oder zu einem Verlauf der Elektrodenpotentialdifferenz 46) erfasst werden (1 bis 3). Die Erfindung basiert auf dem Effekt, dass elektrisch leitende Materialien, die im Kontakt mit dem Elektrolyt stehen, ein elektrochemisches Potenzial aufweisen. Dabei ist es wichtig, dass das Gehäuse 16, oder Teile des Gehäuses 16 oder Gehäuseabschnitte 18 elektrisch leitend sind und nur eine ionische Kopplung zum Zellwickel haben und ansonsten aber elektrisch von Zellwickel isoliert sind. Die ionische Kopplung ist in den Figuren nicht gesondert dargestellt.
Durch die Anwendung einer Referenzelektrode in Batteriezellen lässt sich der Zellzustand präziser bestimmen und sicherheitskritische Zustände früher erkennen. Im Vergleich zu anderen Methoden, Referenzelektroden in Li-Ionen Zellen zu integrieren, liegt der Vorteil der Erfindung darin, dass keine zusätzlichen Produktionsschritte und Komponenten bei der Zellherstellung notwendig sind. Das bedeutet niedrigere Kosten, sowie niedrigeren Komplexitätsgrad und höhere Fehlertoleranz.
Das Gehäuse, Teile des Gehäuses oder die Zellabdeckung müssen elektrisch leitend, vom Zellwickel elektrisch isoliert und mit dem Zellwickel ionisch verbunden sein. Die Gehäuseanteile, die mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen, müssen chemisch und elektrochemisch stabil sein. Das Gehäuse muss ferner elektrisch leitend nach außen verbunden sein, um eine Referenzspannung oder eine jeweilige Potentialdifferenz (Anodenpotentialdifferenz und/oder Kathodenpotentialdifferenz) messen zu können.
Zusätzlich zur Messung der Spannungsdifferenz 46 der beiden Elektroden (Stand der Technik), wird die Spannungsdifferenz einer Elektrode gegenüber dem Gehäuse, oder beider Elektroden gegenüber dem Gehäuse gemessen (1 bis 3). Durch diese Messungen können entweder direkt, oder indirekt durch Berechnung bzw. Korrekturfaktoren, die einzelnen Elektrodenspannungen bestimmt werden.
Untersuchungen an mehreren prismatischen 25 Ah Li-Ionen Zellen mit unterschiedlichen Ladezuständen haben ergeben, dass simultan zu der Zellspannung und simultan zum Betrieb einer jeweiligen Batteriezelle die Elektrodenpotenziale der einzelnen Elektroden überwacht werden können (4). Die Gehäuse der Zellen sind aus Aluminium und entsprechend vom Zellwickel elektrisch isoliert. Die Spannungsmessung kann dabei z.B. durch Analog-Digital-Wandler mit Hilfe eines Mikrocontrollers erfasst werden.
Die Erfindung betrifft also eine Batteriezelle 14 mit einem zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig ausgebildeten Batteriezellengehäuse (16). Die Erfindung sieht vor, zur Zustandsdiagnose der Batteriezelle (14) das Batteriezellengehäuse (16) als Referenzelektrode zu nutzen. Eine Diagnoseeinheit (32) ist dazu ausgebildet, eine Elektrodenpotentialdifferenz (46) zwischen den Arbeitselektroden (24, 26) der galvanischen Zelle (20) der Batteriezelle (14) zum einen und eine jeweilige Potentialdifferenz (48, 50) zwischen der jeweiligen Arbeitselektrode (24, 26) und dem als Referenzelektrode wirkenden Batteriezellengehäuse (16) zum anderen als Elektrodenpotential zu erfassen, einen Anteil des erfassten Elektrodenpotentials der jeweils kontaktierten Elektrode (24, 26) an der Elektrodenpotentialdifferenz (46) zu ermitteln und dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung mittels einer Zuordnungsfunktion (38) einen Zustand der Batteriezelle (14) zuzuordnen.
Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele, wie durch die Erfindung eine erhöhte Präzision einer Zustandsbestimmung einer Batteriezelle durch die Verwendung eines Batteriezellengehäuses als Referenzelektrode bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9698451 B2 [0005]
DE 102018126554 A1 [0005]
DE 102011120512 A1 [0006]
DE 102013226663 A1 [0007]

Claims

Batteriezelle (14), aufweisend - ein Batteriezellengehäuse (16) mit zumindest einem aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildeten Gehäuseabschnitt (18), - eine in einem Innenraum (22) des Batteriezellengehäuses (16) angeordnete galvanische Zelle (20), umfassend eine erste und eine zweite Elektrode (24, 26) mit einem jeweiligen Elektrodenpotential, wobei die Elektroden (24, 26) elektrisch voneinander und von dem Batteriezellengehäuse (16) isoliert sind und aber mit einem ebenfalls in dem Innenraum (22) angeordneten Ionenleitermedium elektrisch in Kontakt stehen, - einen elektrisch leitend mit der ersten Elektrode (24) verbundenen ersten Spannungsabgriff (28) und einen elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode (26) verbundenen zweiten Spannungsabgriff (30), - eine Diagnoseeinheit (32), die dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Spannungsabgriff (28, 30) zum Bereitstellen einer Zellspannungsmessleitung zumindest zeitweise elektrisch zu kontaktieren und eine sich bei erfolgreicher Kontaktierung zwischen den Elektroden (24, 26) einstellende Elektrodenpotentialdifferenz (46) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Gehäuseabschnitt (18) an einer dem Innenraum (22) des Batteriezellengehäuses (16) zugewandten Seite permanent mit dem Ionenleitermedium in Kontakt steht und hierdurch ein elektrisches Referenzpotential aufweist, wobei die Diagnoseeinheit (32) dazu ausgebildet ist, zumindest zeitweise einerseits den Gehäuseabschnitt (18) als Referenzelektrode und andererseits zumindest eine der Elektroden (24, 26) elektrisch zu kontaktieren, eine sich bei erfolgreicher Kontaktierung einstellende elektrische Potentialdifferenz (48, 50) zwischen dem als Referenzelektrode wirkenden Gehäuseabschnitt (18) und der kontaktierten Elektrode (24, 26) als Elektrodenpotential zu erfassen, einen Anteil des erfassten Elektrodenpotentials der jeweils kontaktierten Elektrode (24, 26) an der Elektrodenpotentialdifferenz (46) zu ermitteln und dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung mittels einer Zuordnungsfunktion (38) einen Zustand der Batteriezelle (14) zuzuordnen.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, wobei der Gehäuseabschnitt (18) als Gehäuseboden oder als Gehäusewand oder als Gehäusedeckel des Batteriezellengehäuses (16) ausgebildet ist.
Batteriezelle (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diagnoseeinheit (32) dazu ausgebildet ist, zum Ermitteln einer durch eine zeitliche Veränderung des Referenzpotentials hervorgerufenen und die Potentialdifferenz (48, 50) verfälschenden betragsmäßigen Verschiebung des Referenzpotentials den Gehäuseabschnitt (18) als Referenzelektrode bezüglich der ersten und der zweiten Elektrode (24, 26) und zumindest zeitweise zur gleichen Zeit sowohl den ersten als auch den zweiten Spannungsabgriff (28, 30) elektrisch zu kontaktieren.
Batteriezelle (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der dem Innenraum (22) der Batteriezelle (14) zugewandten Seite des Gehäuseabschnitts (18) eine, insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildete, Korrosionsschicht angeordnet ist.
Batteriezelle (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der galvanischen Zelle (20) einerseits und dem Batteriezellengehäuse (16) und/oder dem Gehäuseabschnitt (18) andererseits eine elektrisch isolierende und für das Ionenleitermedium durchlässig ausgestaltete Zwischenschicht angeordnet ist.
Batterie (12), aufweisend zumindest eine Batteriezelle (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Batterie (12) nach Anspruch 6, aufweisend eine Steuereinrichtung (42), die dazu ausgebildet ist, ein den Zustand einer jeweiligen Batteriezelle (14) beschreibendes Diagnosesignal (40) von einer jeweiligen Diagnoseeinheit (32) zu empfangen und in Abhängigkeit von dem empfangenen Diagnosesignal (40) eine vorbestimmte Schutzmaßnahme (44) für die Batterie (12) auszulösen.
Kraftfahrzeug (10) mit einer Batterie (12) nach einem der Ansprüche 6 oder 7.
Verfahren zur Zustandsdiagnose einer Batteriezelle (14), wobei die Batteriezelle (14) aufweist: - ein Batteriezellengehäuse (16) mit zumindest einem aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildeten Gehäuseabschnitt (18), - eine in einem Innenraum (22) des Batteriezellengehäuses (16) angeordnete galvanische Zelle (20), umfassend eine erste und eine zweite Elektrode (24, 26) mit einem jeweiligen Elektrodenpotential, wobei die Elektroden (24, 26) elektrisch voneinander und von dem Batteriezellengehäuse (16) isoliert sind und aber mit einem ebenfalls in dem Innenraum (22) angeordneten Ionenleitermedium elektrisch in Kontakt stehen, - einen elektrisch leitend mit der ersten Elektrode (24) verbundenen ersten Spannungsabgriff (28) und einen elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode (26) verbundenen zweiten Spannungsabgriff (30), - eine Diagnoseeinheit (32), die dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Spannungsabgriff (28, 30) zum Bereitstellen einer Zellspannungsmessleitung zumindest zeitweise elektrisch zu kontaktieren und eine sich bei erfolgreicher Kontaktierung zwischen den Elektroden (24, 26) einstellende Elektrodenpotentialdifferenz (46) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Innenraum (22) des Batteriezellengehäuses (16) zugewandte Seite des zumindest einen Gehäuseabschnitts (18) permanent mit dem Ionenleitermedium kontaktiert wird, wodurch sich an dem Gehäuseabschnitt (18) ein elektrisches Referenzpotential einstellt, wobei die Diagnoseeinheit (32) zumindest zeitweise einerseits den Gehäuseabschnitt (18) als Referenzelektrode und andererseits zumindest eine der Elektroden (24, 26) elektrisch kontaktiert, eine sich bei erfolgreicher Kontaktierung einstellende elektrische Potentialdifferenz (48, 50) zwischen dem als Referenzelektrode ausgebildeten Gehäuseabschnitt (18) und der zumindest einen Elektrode (24, 26) als Elektrodenpotential erfasst, einen Anteil des erfassten Elektrodenpotentials an der Elektrodenpotentialdifferenz (46) ermittelt und dem Ergebnis dieser Anteilsermittlung mittels einer Zuordnungsfunktion (38) einen Zustand der Batteriezelle (14) zuordnet.