-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Batterie mit einem faseroptischen Sensor. Ausführungsformen betreffen eine Überwachung eines Zustands einer Batterie mittels eines faseroptischen Sensors, insbesondere in Hinblick auf eine Detektion kritischer Zustände der Batterie.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Im Betrieb einer Batterie, insbesondere bei Lade- oder Entladevorgängen, kommt es innerhalb von Batteriezellen typischerweise zu Druck- oder Temperaturveränderungen. Eine Über- oder Unterschreitung bestimmter Drücke und Temperaturen kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Batterie führen. Zudem kann ein thermisches Durchgehen stattfinden, was mit einem Brand oder einer Explosion der Batterie verbunden sein kein. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Drücke und Temperaturen von Batteriezellen zu überwachen. Üblicherweise verwendete Messverfahren können in Abhängigkeit vom Typ der verwendeten Sensoren und deren Anordnung ungenaue Werte liefern oder mit hohen Latenzzeiten verbunden sein. Dadurch können Leistung und Sicherheit der Batterie beeinträchtigt werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Batterie mit einem Batteriegehäuse, einer Batteriezelle und einem ersten faseroptischen Sensor. Die Batteriezelle umfasst eine erste Elektrode und einen Separator. Der erste faseroptische Sensor umfasst einen ersten faseroptischen Leiter, wobei ein Teil des ersten faseroptischen Leiters zwischen dem Separator und der ersten Elektrode verläuft. Die erste Elektrode ist eine Anode und/oder die Batteriezelle weist einen ersten Bereich auf, in welchem in einem ersten Betriebszustand der Batterie eine Temperatur oder ein Druck am höchsten ist, wobei der Teil des ersten faseroptischen Leiters in dem ersten Bereich verläuft.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 4a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 4b zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
-
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Im Folgenden wird detaillierter Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
-
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Aufsicht. Die Batterie 100 umfasst ein Batteriegehäuse 102, eine Batteriezelle 110 und einen ersten faseroptischen Sensor. Der erste faseroptische Sensor kann zur Druckmessung oder zur Temperaturmessung vorgesehen sein. Der erste faseroptische Sensor umfasst einen ersten faseroptischen Leiter 130. Die Batteriezelle 110 weist insbesondere ein Zellgehäuse 118 auf.
-
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Batterie 100 insgesamt 14 Batteriezellen. Generell kann eine Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung mehr als beispielsweise 2, 6, oder 10 Batteriezellen umfassen. Eine Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auch nur eine Batteriezelle umfassen.
-
Der erste faseroptische Leiter 130 kann in das Innere der Batteriezelle 110, insbesondere des Zellgehäuses 118, hineinragen. Eine Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung kann, wie in 1 dargestellt, einen zweiten faseroptischen Sensor mit einem zweiten faseroptischen Leiter 140 aufweisen. Ein Teil des zweiten faseroptischen Leiters 140 kann von außen an dem Zellgehäuse 118 angebracht sein.
-
Durch eine Integration faseroptischen Sensoren in die Batteriezellen oder eine Anordnung der Sensoren zwischen die Batteriezellen kann eine direkte Messung von Drücken in Kombination mit Temperaturen erreicht werden. Es kann eine Erhöhung der Genauigkeit erzielt werden, beispielsweise im Vergleich zu einer Messung außerhalb des Batteriegehäuses. Latenzzeiten bei der Messung von Drücken und Temperaturen können verringert werden. Aufgrund der schnellen Reaktionszeiten von faseroptischen Sensoren können Druck- und Temperaturveränderungen schnell und präzise festgestellt werden. Es wird ermöglicht, schnell auf Änderungen des Batteriezustands reagieren zu können.
-
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Seitenansicht. Die dargestellte Batterie 100 stimmt in weiten Teilen mit der Batterie aus 1 überein. Der erste faseroptische Leiter kann ein Faser-Bragg-Gitter 132 umfassen. In Ausführungsformen kann, wie hier dargestellt, der zweite faseroptische Leiter 140 zwischen einer Batteriezelle 110 und einer weiteren Batteriezelle angeordnet sein.
-
Aufgrund des geringen Durchmessers, der chemischen Resistenz und der hohen Flexibilität können faseroptischen Sensoren auch an unzugänglichen Stellen verbaut werden, insbesondere innerhalb oder zwischen Batteriezellen. Es kann eine besonders kompakte Batterie bereitgestellt werden, bei der eine Überwachung von Parametern wie Druck- und Temperatur erfolgen kann. Da sie nicht elektrisch leitend sind, beeinträchtigen faseroptische Leiter die Funktion der Batterie nicht. Zudem stellt ein faseroptischer Leiter keine Zündquelle für die Batterie dar.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei Batteriezelle 110 handelt es sich insbesondere um eine zylindrische Zelle.
-
Die Batteriezelle 110 kann in einer Batterie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Verwendung finden, beispielsweise einer Batterie, wie im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben. Die Batteriezelle 110 kann einen ersten Bereich 120 aufweisen, in welchem in einem ersten Betriebszustand der Batterie eine Temperatur oder ein Druck am höchsten ist. Ein Teil eines ersten faseroptischen Leiters 130 kann in dem ersten Bereich 120 verlaufen. Der Teil des ersten faseroptischen Leiters kann ein Faser-Bragg-Gitter 132 umfassen. In dem ersten Bereich kann insbesondere ein Absolutwert der zeitlichen Änderung der Temperatur oder des Drucks am höchsten sein. Durch eine Anordnung des faseroptischen Leiters, insbesondere des Faser-Bragg-Gitters 132, in dem ersten Bereich, kann eine besonders hohe Messempfindlichkeit erreicht werden. Bei dem ersten Betriebszustand der Batterie kann es sich beispielsweise um einen Lade- oder einen Entladevorgang handeln.
-
4a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Aufsicht. Es handelt es sich insbesondere um eine zylindrische Zelle. Die Batteriezelle 110 umfasst eine erste Elektrode 112 und einen Separator 114. Ein erster faseroptischer Leiter 130 eines ersten faseroptischer Sensors ist dargestellt. Ein Teil des ersten faseroptischen Leiters 130 verläuft zwischen dem Separator 114 und der ersten Elektrode 112.
-
Die erste Elektrode und der Separator können in einer Wickelung angeordnet sein. Zur Vereinfachung sind die erste Elektrode 112 und der Separator 114 in 4a als konzentrische Ringe dargestellt. Die in 4a dargestellte Batteriezelle 110 umfasst eine zweite Elektrode 116. Die zweite Elektrode 116 ist hier ebenfalls zur Vereinfachung als weiterer konzentrischer Ring dargestellt.
-
Der zwischen dem Separator und der ersten Elektrode verlaufende Teil des ersten faseroptischen Leiters kann in einem Bereich einer bezüglich der Wickelung inneren Abschlusskante der ersten Elektrode oder des Separators verlaufen. In dem Bereich können eine Temperatur oder ein Druck in einem ersten Betriebszustand der Batterie besonders hoch sein. Insbesondere kann eine zeitliche Änderung der Temperatur oder des Drucks in dem Bereich besonders hoch sein. Ein Abstand des Teils des ersten faseroptischen Leiters von der Abschlusskante der ersten Elektrode oder des Separators kann geringer sein als beispielsweise 25, 20 oder 10% einer Gesamtlänge der Elektrode oder des Separators. Unter einer Gesamtlänge der Elektrode oder des Separators ist insbesondere eine Ausdehnung in einer Haupterstreckungsrichtung in einem abgewickelten Zustand zu verstehen.
-
Parallel zu einer Wickelachse der Wickelung kann ein Abstand des Teils des ersten faseroptischen Leiters vom Mittelpunkt der Wickelachse geringer sein als beispielsweise 25, 20 oder 10% einer Breite der ersten Elektrode. In dem Bereich können eine Temperatur oder ein Druck in einem ersten Betriebszustand der Batterie besonders hoch sein. Insbesondere kann eine zeitliche Änderung der Temperatur oder des Drucks in dem Bereich besonders hoch sein.
-
In Ausführungsformen ist die erste Elektrode 112 eine Anode. Eine Anordnung eines faseroptischen Leiters an einer Anode, insbesondere zwischen einer Anode und einem Separator, ermöglicht potentiell eine Detektion von Lithium-Plating.
-
Die Batteriezelle kann Teil einer Lithium-Ionen-Batterie sein. Beim Betrieb, insbesondere beim Laden, einer Lithium-Ionen-Batterie kann sich metallisches Lithium bilden und an der Anode ablagern. Dieses Phänomen wir Lithium-Plating genannt. Mögliche Folgen umfassen eine Verringerung der Lebensdauer der Batterie, Kurzschluss oder Brand. Das Brandrisiko ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass metallisches Lithium schnell entflammbar ist.
-
Der erste faseroptische Sensor kann für eine Druckmessung vorgesehen sein. Eine Ablagerung von metallischem Lithium an der Anode kann potentiell durch eine Druckmessung in unmittelbarer Nähe der Anode besonders zuverlässig festgestellt werden. Eine hohe Empfindlichkeit und eine geringe Latenz in der Detektion von Lithium-Plating können erreicht werden.
-
In 4a ist zudem ein zweiter faseroptischen Leiter 140 eines zweiten faseroptischen Sensors dargestellt. Ein Teil des zweiten faseroptischen Leiters 140 kann von außen an einem Zellgehäuse 118 der Batteriezelle 110 angebracht sein. Der zweite faseroptische Sensor kann für eine Temperatur- oder eine Druckmessung vorgesehen sein. Es können Vergleichswerte zur Gegenkontrolle der mit dem ersten faseroptischen Sensor gemessenen Werte ermittelt werden.
-
4b zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Aufsicht. Die dargestellte Batterie 100 stimmt in weiten Teilen mit der Batterie aus 4a überein. Ein Unterschied liegt in der Anordnung des zweiten faseroptischen Leiters 140. Ein Teil des zweiten faseroptischen Leiters 140 verläuft zwischen dem Separator 114 und der ersten Elektrode 112.
-
In Ausführungsformen kann die erste Elektrode 112 eine Anode sein. Wie in Zusammenhang mit 4a beschrieben, ermöglicht eine Anordnung eines faseroptischen Leiters an einer Anode, insbesondere zwischen einer Anode und einem Separator, potentiell eine Detektion von Lithium-Plating, insbesondere mit hoher Empfindlichkeit.
-
In Ausführungsformen kann der erste faseroptische Sensor für eine Druckmessung und der zweite faseroptische Sensor für eine Temperaturmessung vorgesehen sein. Eine Kombination einer Druck- und einer Temperaturmessung an einer Anode, insbesondere zwischen einer Anode und einem Separator, kann Vorteile bezüglich einer besonders zuverlässigen und genauen Detektion von Lithium-Plating bringen. Mittels der Temperaturmessung kann überprüft werden, ob eine festgestellte Druckerhöhung auf thermische Effekte zurückzuführen ist oder zumindest teilweise von einer Anlagerung metallischen Lithiums an der Anode herrührt.
-
In Ausführungsformen kann die Batteriezelle 100 einen ersten Bereich aufweisen, in welchem in einem ersten Betriebszustand der Batterie eine Temperatur oder ein Druck am höchsten ist. Ein Teil des zweiten faseroptischen Leiters 140 kann in dem ersten Bereich verlaufen.
-
5 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in einer Seitenansicht. Bei der Batteriezelle 110 handelt sich insbesondere um eine Pouched-Zelle. Die erste Elektrode 112 und der Separator 114 können in einem Stapel angeordnet sein. Ein Teil des ersten faseroptischen Leiters 130 verläuft zwischen dem Separator und der ersten Elektrode. Die in 5 gezeigte Ausführungsform weist nur eine erste Elektrode 112 und eine zweite Elektrode 116 auf. Generell kann jedoch eine Vielzahl von Elektroden, beispielsweise mehr als 2, 5 oder 10, in dem Stapel angeordnet sein.
-
Parallel zu einer Stapelachse kann ein Abstand der ersten Elektrode von einer in Bezug auf die Stapelachse mittleren Ebene des Stapels geringer sein als beispielsweise 25, 20 oder 10% der Stapeldicke. Im Bereich der mittleren Ebene des Stapels können eine Temperatur oder ein Druck in einem ersten Betriebszustand der Batterie besonders hoch sein. Insbesondere kann eine zeitliche Änderung der Temperatur oder des Drucks in dem Bereich besonders hoch sein.
-
Ein Abstand des Teils des ersten faseroptischen Sensors von einem Flächenschwerpunkt der ersten Elektrode kann geringer sein als beispielsweise 25, 20 oder 10% einer Breite der ersten Elektrode. In dem Bereich kann eine Temperatur oder ein Druck in einem ersten Betriebszustand der Batterie besonders hoch sein. Insbesondere kann eine zeitliche Änderung der Temperatur oder des Drucks in dem Bereich besonders ausgeprägt sein. Unter einer Breite einer Elektrode kann in diesem Zusammenhang eine Ausdehnung, insbesondere eine geringste Ausdehnung, senkrecht zur Stapelachse zu verstehen sein.
-
Eine Batteriezelle gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auch als prismatische Zelle ausgebildet sein. Prismatische Zellen sind zumindest im Wesentlichen flach, weisen jedoch eine Wickelung auf. Bei einer prismatischen Zelle können zur vorteilhaften Anordnung der faseroptischen Leiter Kriterien angewendet, die in der vorliegenden Offenbarung im Zusammenhang mit zylindrischen Zellen oder im Zusammenhang mit Pouched-Zellen beschrieben wurden.
-
6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Batterie 100 umfasst ein Batteriegehäuse 102 und Batteriezellen 110. Bei den Batteriezellen in der hier dargestellten Ausführungsform kann es sich beispielsweise um Pouched-Zellen oder um prismatische Zellen handeln.
-
Innerhalb des Batteriegehäuses können faseroptische Leiter von faseroptischen Sensoren angeordnet sein. Die in 6 dargestellt Batterie 100 umfasst einen ersten faseroptischen Leiter 130 eines ersten faseroptischen Sensors und einen zweiten faseroptischen Leiter 140 eines zweiten faseroptischen Sensors. Der erste faseroptische Leiter 130 kann parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung einer Batteriezelle 110 verlaufen. Der zweite faseroptische Leiter 140 kann im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Batteriezellen 110 verlaufen. Die Batteriezellen können mittels faseroptischer Leiter von mehreren Seiten zumindest teilweise eingefasst sein. Durch eine Anordnung mehrerer faseroptischer Leiter in einer Batterie kann eine Ortsabhängigkeit der Temperatur oder des Drucks innerhalb des Batteriegehäuses bestimmt werden.
-
Eine faseroptische Messung von Drücken in Kombination mit Temperaturen kann an verschiedenen Stellen einer Batteriezelle erfolgen. Beispielsweise können faseroptische Sensoren an einer Außenseite, in einem Kernbereich oder an den Polen von Batteriezellen angeordnet werden. Innerhalb von Batterien können faseroptische Sensoren in Zwischenräumen zwischen den Batteriezellen angeordnet werden. Es kann insbesondere eine Erstellung von, insbesondere ortsabhängigen, Druck-/Temperaturprofilen einer Batterie ermöglicht werden. Eine Erstellung von Druck-/Temperaturprofilen an technischen, insbesondere auch mechanischen, Grenzen einer Batterie kann ermöglicht werden.
-
Ausführungsformen einer Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung können als Batterie für Elektrofahrzeuge ausgebildet sein. Bei einer Batterie für Elektrofahrzeuge fallen die beschriebenen Vorteile in Hinblick auf Langlebigkeit und Sicherheit der Batterie besonders stark ins Gewicht, insbesondere da hierbei Defekte mit sehr hohen Risiken und Kosten verbunden sein können.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
