-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, eine Verwendung eines Batteriesystems und ein Verfahren zur Messung von Alterungen in einem Batteriesystem.
-
Die Bestimmung des Alterungszustandes (SOH - State of Health) einer Batterie kann sehr komplex sein. Es gibt eine kalendarische und eine zyklische Alterung. Batteriemanagementsysteme erfassen Temperaturen und Zellspannungen sowie Strom und versuchen über Algorithmen die Alterung der Batterie vorherzusagen. Den Alterungszustand zu kennen ist wichtig, um rechtzeitig die Diagnose einer „zu alten Batterie“ stellen zu können. Beim Altern von Zellen „blähen“ sich diese auf, wie dies bei Pouchzellen sehr gut zu beobachten ist. Pouchzellen sind flache Zellen, die sich in einer taschenartigen Aufnahme befinden. Die Alterung wird herkömmlich entweder mit sehr starren Aufnahmen gemessen, innerhalb denen sich die Zellen befinden und dabei wird eine durch das Aufblähen entstehende Kraft gemessen. Alternativ werden weniger starre Aufnahmen verwendet, die sich durch die entstehende Kraft elastisch verformen und die Verformung wird über Dehnungssensoren gemessen. Aus
WO 2017/087807 A1 ist eine steife Messanordnung mit einem Drucksensor bekannt. Die zyklische Alterung bedeutet, dass sich bei jedem Ladezyklus die Dicke bzw. das Volumen der Batteriezelle erhöht und beim Entladen wieder reduziert und diese Reduktion nicht zu dem ursprünglichen Ausgangsmaß stattfindet. Jede Dicken- bzw. Volumenänderung schadet der Zelle und führt zu deren Alterung. Diese ist dann abhängig von dem „Hub“ des Lade-/Entladevorgangs und der Anzahl der Ladeentladevorgänge. Über diesen Alterungsvorgang ist die kalendarische Alterung übergelagert, was bedeutet, dass über die Zeit die Grunddicke der Batteriezelle zunimmt. Hieraus ergeben sich Probleme bei der Messung der Alterung. Dies liegt auch daran, dass die Dicke, bzw. Alterung über die Lebensdauer von mehreren Jahren bestimmt werden muss.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Alterungsmessung einer Batterie zu verbessern. In weiteren Teilaufgaben soll eine Erkennung eines internen Widerstandsabfalls, wie z.B. durch einen Kurzschluss oder eine Überlast ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Ein Batteriesystem weist zumindest eine Batteriezelle auf, wobei das Batteriesystem einen Sensor umfasst und eingerichtet ist, einen Messwert in Bezug auf eine Verformung der Batteriezelle oder eines aus Batteriezellen gebildeten Batteriezellpakets zu bestimmen und diesen Messwert zur Erzeugung einer Warn- und/oder Abschaltmeldung zu verwenden. Dabei ist ein Federelement in einer Reihenschaltung mit der Batteriezelle oder dem Batteriezellpaket angeordnet, um bei kleineren Verformungen die Messwerte stärker zu kompensieren als bei größeren Verformungen. Diese unterschiedliche Kompensation kann bei größeren Verformungen überproportional zu kleineren Verformungen sein. Das Federelement oder das Gesamtsystem umfassend das Federelement und einen Träger bzw. Rahmen hat insbesondere eine ansteigende Federkennlinie oder es gibt eine Wegbegrenzung für das Federelement. Der vorstehend genutzte Begriff „kompensieren“ wird insbesondere als „ausgleichen“ oder „durch eine Gegenwirkung reduzieren“ verstanden. Die Veränderung der Federkennlinie kann durch unterschiedliche Maßnahmen erzielt werden. Z.B. können zwei Federelemente unterschiedlicher Steifigkeit in Reihe geschaltet werden. Alternativ kann nur ein Federelement verwendet werden. Wenn dieses zu einem Anschlag kommt, so kann es sich nicht weiter kompensieren und das Gesamtsystem des Trägers hat eine gewisse Eigensteifigkeit und kann so als ein Federelement betrachtet werden. So wird ein erster Abschnitt der Verformung der Batteriezellen durch aufblähen geschaffen, in dem die im Sensor gemessenen Werte nicht proportional zu der Expansion der Batteriezelle sind. Während in den gezeigten Ausführungsformen ein komprimierendes Federelement gezeigt ist, kann in dem Träger/Rahmen ein sich expandierendes Federelement zum Einsatz kommen. Dies ist dann ein federndes Element, das mit einer Zugspannung beaufschlagt werden kann.
-
Auch kann ein Batteriesystem zumindest eine Batteriezelle und einen Sensor umfassen und eingerichtet sein, eine Messgröße in Bezug auf eine Größendifferenz zwischen der entladenen und geladenen Batteriezelle oder eines mehrere Batteriezellen umfassenden Batteriezellpakets zu bestimmen und unter Verwendung der Messgröße eine Warnmeldung und/oder eine Abschaltmeldung zu erzeugen. Es wurde nämlich erkannt, dass bei der Alterung oder einem Ausfall von Batteriezellen nicht nur die Größe selbst (betrachtet im geladenen oder ungeladenen Zustand) zunimmt, sondern dass unabhängig davon bei der Betrachtung eines jeden Ladezyklus die Größenänderung (zwischen ungeladen und geladen) bei jungen Batteriezellen geringer ist, als bei gealterten oder ausfallgefährdeten Batteriezellen. Vorteilhaft ist auch in diesem Fall, wenn ein Federelement eingerichtet ist, um bei kleineren Verformungen die Messwerte stärker zu kompensieren als bei größeren Verformungen. Hierdurch lässt es sich besser erkennen, ob eine Alterung bzw. Ausfallgefährdung vorliegt.
-
Insbesondere kann das Batteriesystem einen Rahmen oder einen Träger umfassen, mit dem die Batteriezelle oder das Batteriezellpaket verspannt ist. Dies gilt insbesondere, da die Batteriehersteller eine Designrichtlinie erstellt haben, dass Batteriezellen unter einer Verspannung verbaut werden sollen, da dadurch die Alterung verzögert werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft v.a. Pouchzellen und die Verspannung sollte auf die beiden gegenüberliegenden Hauptflächen aufgebracht werden. Aus Gründen der elektrischen Isolation ist i.d.R. gefordert, dass die Batteriezellen gegen die Umgebung gesondert abgeschirmt sind. Diese Abschirmung kann in Form eines Rahmens oder Trägers ausreichend steif konstruiert sein, so dass sich hierüber mit geeigneten Sensoren (insbesondere über die Verformung oder der Kraft- bzw. Druck-Aufbau) eine Größenänderung der Batteriezellen, bzw. des Batteriezellpakets messen lässt. Entsprechend kann der Rahmen oder Träger einen Sensor umfassen, um am Rahmen oder dem Träger oder relativ zu ihm Verformungen oder Kräfte bzw. Drücke zu messen.
-
Insbesondere ist vorteilhaft, wenn das Federelement eingerichtet ist, bei kleineren Verformungen der Batteriezelle oder des Batteriezellpakets diese Verformungen elastisch zu kompensieren und so die Auswirkungen auf den Messwert des Sensors zu reduzieren. Und bei größeren Verformungen kann eine Erhöhung der Federkennlinie des Federelements oder ein Anschlag vorgesehen sein, um im Vergleich zum Zustand der kleineren Verformungen eine größere Auswirkung der Verformung auf den Sensor zu bewirken. D.h. insbesondere, dass das Federelement nur bei kleineren Verformungen elastisch arbeitet und ab einem Zeitpunkt, nämlich dem Beginn der Erhöhung der Federkennlinie des Gesamtsystems, an seinem Anschlag ist und sich nicht mehr (zumindest wesentlich) verformt.
-
Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriesystem ein Federelement umfassen, das insbesondere in einer Reihenschaltung mit der Batteriezelle oder dem Batteriezellpaket angeordnet ist. Das Federelement kann eine ansteigende Federkennlinie aufweisen, wobei sie in einem ersten Bereich konstant ist und in einem zweiten Bereich größer als im ersten Bereich ist und der Übergang vom ersten zum zweiten Bereich kann bei einer Verformung der Batteriezelle oder des Batteriezellpakets stattfinden, die mindestens 5% der Lebensdauer vor einer zu erwartenden altersbedingten Ausfallvergrößerung liegt. Für die Auswertung der Alterung ist nämlich die Messung im Bereich der Alterung von Relevanz. So werden dort und in einem gewissen Bereich vor der Alterung (bspw. min. 5%) die Messwerte nicht oder nur weniger durch das Federelement abgeschwächt, bzw. kompensiert.
-
Der Sensor kann ein Verformungssensor, insbesondere ein Dehnungssensor, sein. Der Sensor kann auch ein Kraft- oder Drucksensor sein. Mehrere Sensoren nach dem gleichen oder anderen Prinzip können gemeinsam verwendet werden. Vorteilhaft ist ferner, wenn das Batteriesystem einen Rahmen oder Träger umfasst, da dies als ein Bezugssystem für die Messungen dienen kann.
-
Insbesondere kann vorteilhaft sein, wenn das Federelement aus zumindest zwei einzelnen Federelementen unterschiedlicher Elastizität zusammengesetzt ist. Diese Federelemente können konstruktiv vorgesehene Elemente, wie Federelemente oder Schäume, bzw. Schaumschichten sein, die in Reihe mit den Batteriezellen geschaltet sind. Alternativ kann der Rahmen oder Träger so konstruiert sein, dass er eine entsprechende Elastizität hat. Dies umfasst auch, dass der Rahmen oder Träger eine maximale Steifigkeit aufweisen kann. Dann können entsprechend größere Kräfte mit einem Drucksensor gemessen werden.
-
Ein entsprechendes Batteriesystem kann insbesondere dafür verwendet werden, die Alterung der Batteriezelle oder des Batteriezellpakets und/oder einen internen Widerstandsabfall, wie z.B. einen Kurzschluss und/oder eine Überlastung, zu messen.
-
Und in einem Verfahren zur Messung der Alterung einer Batteriezelle oder eines Batteriezellpakets und/oder eines internen Widerstandsabfalls, wie z.B. eines Kurzschlusses und/oder einer Überlastung, wird ein Messwert in Bezug auf eine Größenänderung der Batteriezelle oder des Batteriezellpakets zwischen einem entleerten und gefüllten Zustand gemessen und abhängig vom Messwert wird eine Wam- und/oder Abschaltmeldung veranlasst.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit zwei unterschiedlichen Sensortypen zur Alterungsmessung,
- 2 eine zweite Ausführungsform mit einem zusätzlichen Federelement,
- 3 ein Kraftdehnungsdiagramm einer Batteriezelle bzw. Batteriezellpakets,
- 4 ein schematisches Diagramm der Dehnung eines Batteriezellpakets über dessen Lebensdauer und
- 5 eine Federkennlinie eines Federelements, bzw. eine Kombination von einem Träger, der die Batterie aufnimmt in Verbindung mit dem Federelement.
-
1 zeigt in einer Seitenansicht eine Mehrzahl von Batteriezellen 10, die miteinander kontaktiert sind (nicht gezeigt) und so ein Batteriezellpaket 12 bilden. Da die Erfindung sowohl bei einer einzelnen Batteriezelle 10 wie auch einem Batteriezellpaket 12 anwendbar ist, wird in der folgenden Beschreibung zwischen beidem nicht mehr unterschieden und vereinfachend stets von einem Batteriezellpaket 12 gesprochen. Das Batteriezellpaket 12 kann in einer Aufnahme bzw. einem Träger 20 aufgenommen sein. Dies kann ein Behältnis oder ein Rahmen sein. Bei einigen Ausführungsformen wird gefordert, dass das Batteriezellpaket 12 von einer außenliegenden Folie gegen Umwelteinflüsse geschützt wird. Auch eine entsprechende Folie kann als ein Träger 20 verstanden werden, insbesondere sofern sie eine ausreichende Steifigkeit aufweist. Es sind zwei unterschiedliche Typen von Sensoren in 1 gezeigt, nämlich ein Drucksensor 30 und ein Dehnungssensor 32. Bevorzugt wird nur einer dieser Sensoren verwendet. Das Batteriezellpaket 12 liegt an zwei gegenüberliegenden Seiten (bevorzugt den großen Großflächen) am Träger 20 an. Mit dem Drucksensor 30, der bspw. ein Piezoelement sein kann, kann ein Aufblähen des Batteriezellpakets 12 durch das Entstehen eines entsprechenden Signals (z.B. Stromfluss) erkannt werden. Alternativ kann bei der Verwendung eines Dehnungssensors 32 der Rahmen 20 an dieser Stelle etwas weicher ausgestaltet sein, so dass hier bevorzugt die Verformungen auftreten und dann vom Sensor 32 gemessen werden.
-
2 zeigt eine Variante der Ausführungsform der 1 mit einem zusätzlichen Federelement 40. Dieses kann bspw. ein elastischer Schaumstoff sein, der dennoch eine gewisse Steifigkeit aufweist. Bei einer Ausdehnung des Batteriezellpakets 12 kann sich das Federelement 40 komprimieren. Dabei ist die maximale Kompressibilität bevorzugt geringer als die Ausdehnung des Batteriezellpakets 12 vor einer unzulässig großen Verformung. Bei kleinen Verformungen des Batteriezellpakets 12 werden folglich die am Sensor 30, 32 gemessenen Kräfte bzw. Verformungen überaus gering sein, da sie von dem Federelement 40 aufgenommen werden. Erst wenn das Federelement 40 maximal komprimiert wurde, so kann es bei einer weiteren Ausdehnung des Batteriezellpakets 12 diese Kräfte nicht mehr aufnehmen, so dass sich bei dem Drucksensor 30 ein hoher Druck aufbaut oder der Dehnungssensor 32 eine starke Verformung misst.
-
3 zeigt ein Kraft-Dehnungsdiagramm mit unterschiedlichen Lastkurven. Dabei zeigt Kurve a den Fall, dass der Rahmen 20 überaus starr ist. Bei dieser Kurve kommt kein Federelement 40 zum Einsatz. Aufgrund der Starrheit kann das Batteriezellpaket sich kaum ausdehnen. Vielmehr entwickeln sich am Drucksensor 30 hohe Kräfte. Der kreuzschraffierte Bereich stellt den EOL-Bereich (=end of life) dar. So kann das Erreichen einer Kraft von 45 kN (siehe Punkt a2 ) als Warnwert oder Grenzwert betrachtet werden. In diesem Fall verursacht das Batteriezellpaket 12 im entladenen Zustand die Kräfte und Drücke a1 und im geladenen Zustand a2 . Diese sind so hoch, dass die Batteriesteuerung auf eine Alterung, einen Ausfall, bzw. einen nahen Ausfall der Batterie schließt. Bei Ladezyklen eines nicht-geschädigten Batteriezellpakets liegen die Zustände (nämlich geladen oder nicht-geladen) unterhalb der gezeigten Werte a1 und a2 , also komplett oder zumindest teilweise außerhalb des kreuzschraffierten Bereichs.
-
3 zeigt in Kurve d einen anderen extremen Fall. In diesem Fall ist der Rahmen 20 überaus elastisch oder es kommt kein Rahmen zum Einsatz. D.h. es können sich praktisch keine Kräfte aufbauen, vielmehr kann das Batteriezellpaket 12 sich leicht ausdehnen. Das Erreichen von Dehnungen d1 und d2 wird als schädliche Dehnung und Ausfallkriterium angesehen. Die mit „n.g.“- gekennzeichnete vertikale Linie bezeichnet eine maximal zulässige Dehnung, die die Batteriehersteller als Grenze angeben. In diesem Sinne sollen die Batterien stets so eingespannt sein, dass sich keine Dehnungen oberhalb von 5,5% ergeben, da hierdurch die Batteriezellen geschädigt werden, bzw. schneller altern. Aus diesem Grund ist die Kurve d nicht zu empfehlen.
-
Die Kurven b und c zeigen jeweils Zwischenformen, bei denen zunächst bei einer Vergrößerung der Batteriezellen zunächst Dehnungen auftreten und nachfolgend erst ab einer gewissen Dehnung die Kräfte überproportional zunehmen. Dies kann durch eine Verwendung des Federelements 40 erreicht werden und wird nachfolgend mit den 4 und 5 erläutert:
-
4 zeigt die Dehnung, die am Dehnungssensor 32 gemessen wird in Abhängigkeit von den Ladezyklen und bei Verwendung von einem Federelement 40. Die Federkennlinie des Gesamtsystems setzt sich zusammen aus der Federkennlinie des Federelements 40 in Verbindung mit der Steifigkeit des Trägers 20 und ist in 5 gezeigt.
-
Eine durch eine Federkompression erzeugte Kraft F ist häufig proportional zur Verformung F= c * s, wobei s der Verformweg und c die Federkonstante bzw. Federkennlinie ist. Es gilt entsprechend ΔF = c1,2 * Δs. In einem ersten Bereich, der Federkennlinie, ist der Federkennwert c1 konstant. Die Kraftzunahme ist in 5 folglich proportional zur Dehnung des Batteriezellpakets 12. Aus diesem Grund sind in 4 die Ausschläge der am Sensor gemessenen Dehnungen relativ gering. Wenn jedoch die Ausdehnung des Batteriezellpakets 12 größer wird, so ist zu einem Zeitpunkt das Federelement 40 so komprimiert, dass es sich nicht stärker komprimieren kann. Dieser Zeitpunkt liegt am Schnittpunkt der Linien c1 und c2 . Bei einer weiteren Vergrößerung des Batteriezellpakets 12 können die Verformungen nur über eine (elastische) Verformung des Gesamtsystems, dass den Träger 20 umfasst aufgenommen werden. Da die Steifigkeit des Gesamtsystems größer ist, als von dem Federelement 40 alleine, steigen die Kräfte im System an, was seinerseits bewirkt, dass die Dehnungen in 4 in diesem Bereich, also bei der Federkennlinie c2 , stärker steigen als im vorherigen Bereich c1 . In einem beispielhaften Anwendungsfall kann als das Ausfallkriterium (oder zumindest Warnkriterium) das Überschreiten der in 4 gezeigten horizontale Linie definiert sein. Diese kann bei einer erstmaligen Überschreitung oder einer dauerhaften Überschreitung über eine definierte Anzahl von Ladezyklen der Batterie definiert sein. Der Übergang von der Kennlinie c1 auf die Kennlinie c2 liegt vorteilhafter Weise im Diagramm der Ladezyklen vor dem erwarteten Ausfall. Der Abstand kann bspw. min. 5% der Lebensdauer betragen. Im Bereich c2 ist nämlich aufgrund erstens der höheren Werte der Dehnung und zweitens der größeren Ausschläge zwischen ent- und geladen das Ausfallkriterium der Dehnung besser messbar. Das Gleiche gilt, falls statt der Dehnung eine Kraft bzw. Druck gemessen wird. Auf diese Weise kann zuverlässig erkannt werden, wenn die Batterie in einen kritischen Lebensdauerbereich kommt. Die Kennlinie c2 ist hier als eine gerade Linie, also mit konstantem c2-Wert gezeigt. Dies muss nicht stets so sein, da sie sich durch die ggf. komplexe Geometrie des Trägers 20 ergibt. Alternativ können mehrere Federelemente zum Einsatz kommen (nicht gezeigt), dass anstelle eines Federelements 40 an der gleichen Stelle z.B. zwei in Reihe zueinander geschaltete Federelemente verwendet werden.
-
Es ist ferner aus 4 leicht ersichtlich, dass im Fall der Schädigung oder des Alterns einer Batteriezelle die Amplitude des Größenunterschieds zwischen entladener und geladener Batteriezelle zunimmt. Dieser Effekt kann durch die unterschiedlichen Federkennlinien c1 und c2 noch verstärkt werden. Dies führt dazu, dass die Batteriesteuerung statt der Messung der Dehnung, bzw. Kraft in unterschiedlichen Zuständen (z.B. geladener Zustand, entladener Zustand) und daraus Alterung zu bestimmen auch die Differenz zwischen einem geladenen und entladenen Batteriezellpaket 12 messen und entsprechend auswerten kann. Dies gilt für den beschriebenen Fall der Verwendung eines Federelements 40 wie auch für herkömmlich bekannte Ausführungsformen ohne entsprechend konstruktiv vorgesehene Änderung der Federkennlinie mit einem Federelement.
-
Während vorstehend von einer konstanten Federkennlinie c1 im ersten Bereich und danach einer unterschiedlichen größeren Federkennlinie c2 ausgegangen wurde, kann dieser Zusammenhang auch in einer einzigen Feder vorgesehen sein. So ist bekannt, dass bspw. eine Tellerfeder eine mit der Verformung steigende Federkennlinie haben kann. Die Kraft steigt also überproportional mit der Verformung. Eine Tellerfeder ist eine im Wesentlichen flache, blechartige Feder, die aber leicht konisch ist.
-
Die beschriebene Verwendung des Federelements 40, das im Träger 20 parallel zu den Batteriezellen 10, bzw. Batteriezellpakets 12 eingesetzt wird, ist nur beispielhaft. Statt dessen kann der Träger 20 selbst mit einer entsprechenden Federkennlinie ausgestattet sein. Dies kann bspw. durch einen Abschnitt geschehen, der konstruktiv wenig steif ist und so zwischen zwei definierten Punkten eine leichtere Verformung vorgesehen ist, wobei aber ein Anschlag so angeordnet ist, dass ab einer gewissen Verformung eine weitere Verformung dort nicht, oder nur unter Aufbringung höherer Kräfte möglich ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batteriesystem
- 10
- Batteriezelle
- 12
- Batteriezellpaket
- 20
- Träger, Rahmen
- 30
- Drucksensor
- 32
- Dehnungssensor
- 40
- Federelement, Schaum
- a, b, c, d
- Lastlinien
- c1, c2
- Federkennwert, Federkennlinien
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
