DE102020213033A1

DE102020213033A1 - Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle, entsprechende Batteriezelle sowie Batteriezellenanordnung

Info

Publication number: DE102020213033A1
Application number: DE102020213033.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle (1), die ein geschlossenes Gehäuse (2) aufweist, in welchem zumindest eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem von dem ersten elektrochemischen Potential verschiedenen zweiten elektrochemischen Potential sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter, zumindest ein Lösungsmittel enthaltender Elektrolyt vorliegen. Dabei ist vorgesehen, dass unter Verwendung einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Sensoreinrichtung (19) die Permittivität eines in dem Gehäuse (2) vorliegenden Fluids gemessen und aus der Permittivität der Anteil eines Fluidbestandteils an dem Fluid und/oder ein Fingerabdruck der Batteriezelle (1) ermittelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batteriezelle (1) sowie eine Batteriezellenanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle, die ein geschlossenes Gehäuse aufweist, in welchem zumindest eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem von dem ersten elektrochemischen Potential verschiedenen zweiten elektrochemischen Potential sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter, zumindest ein Lösungsmittel enthaltender Elektrolyt vorliegen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batteriezelle sowie eine Batteriezellenanordnung.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2012 210 595 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Batteriezelle, eine Batterie und ein Verfahren zum Überwachen der Batteriezelle. In der Batteriezelle, die über Stromanschlüsse verfügt, ist eine galvanisches Element integriert und es ist ein Batteriesensor zugeordnet, wobei zusätzlich mindestens ein Schalter vorgesehen ist, der von dem Batteriesensor anzusteuern ist und mit den Stromanschlüssen in Verbindung steht.
Weiterhin offenbart die Druckschrift DE 10 2015 223 136 A1 eine Batteriezelle mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, insbesondere Silizium-Luft-Batteriezelle, sowie ein Batteriemodul mit einer Zufuhr für ein Gasgemisch, insbesondere Luft, wobei eine erste Sensorvorrichtung zur Messung eines Gasdrucks und eine zweite Sensorvorrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts in einem Gasgemisch vorgesehen ist.
Zudem wird in der Druckschrift DE 10 2014 116 451 A1 eine Sensoranordnung beschrieben, die folgendes umfasst: einen Sender, der innerhalb einer Batteriezelle angeordnet werden soll und ein Signal basierend auf zumindest einem erfassten Betriebsparameter der Batteriezelle drahtlos übertragen soll.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere das Feststellen einer für einen dauerhaft zulässigen Betrieb der Batteriezelle relevanten Größe mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass unter Verwendung einer in dem Gehäuse angeordneten Sensoreinrichtung die Permittivität eines in dem Gehäuse vorliegenden Fluids gemessen und aus der Permittivität der Anteil eines Fluidbestandteils an dem Fluid und/oder ein Fingerabdruck der Batteriezelle ermittelt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren dient dem Betreiben der Batteriezelle, welche zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie vorgesehen und ausgestaltet ist. Die Batteriezelle kann grundsätzlich einem beliebigen Verwendungszweck dienen, zum Beispiel dem Betreiben eines tragbaren elektrischen Geräts, insbesondere eines Mobiltelefons oder dergleichen, vorzugsweise ist sie jedoch Bestandteil einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. In diesem Fall ist sie vorzugweise Bestandteil eines Zellmoduls, welches eine Vielzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen aufweist. Das Zellmodul ist wiederum Teil einer Vielzahl von Zellmodulen, welche ebenfalls elektrisch miteinander verschaltet sind und aus welchen sich die Traktionsbatterie zusammensetzt. In anderen Worten verfügt die Traktionsbatterie über mehrere Zellmodule, welche wiederum jeweils über mehrere Batteriezellen verfügen, insbesondere über identisch ausgestaltete Batteriezellen. Insoweit ist besonders bevorzugt jede der Batteriezellen der Traktionsbatterie gemäß der vorliegenden Beschreibung ausgestaltet.
Die Batteriezelle kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise liegt sie als Primärbatteriezelle vor, also als nicht-wiederaufladbare Batteriezelle. Vorzugsweise ist sie jedoch als Sekundärbatteriezelle ausgeführt, also als Akkumulatorzelle. Das bedeutet, dass die Batteriezelle grundsätzlich wiederaufladbar ist. Auch der chemische Aufbau der Batteriezelle ist grundsätzlich beliebig. Besonders bevorzugt ist die Batteriezelle jedoch eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Beispielsweise liegt die Batteriezelle insoweit als Lithium-Cobaltdioxid-Batteriezelle, Lithium-Mangandioxid-Batteriezelle, Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle, Lithium-Titanat-Batteriezelle, Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Batteriezelle oder dergleichen vor. Die Batteriezelle kann als Lithium-Polymer-Batteriezelle ausgeführt sei, bei welcher der Elektrolyt als Folie auf Polymerbasis vorliegt. Die Batteriezelle kann eine ebenfalls grundsätzlich beliebige Bauform aufweisen. Beispielsweise ist die Batteriezelle beziehungsweise ihr Gehäuse zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch. Die Batteriezelle kann jedoch auch als prismatische Zelle oder als Pouch-Zelle ausgestaltet sein.
Von Bedeutung ist zunächst lediglich, dass die Batteriezelle über das geschlossene Gehäuse verfügt, in dem mehrere Elektroden, nämlich die erste Elektrode und die zweite Elektrode, sowie der Elektrolyt angeordnet sind. Die beiden Elektroden weisen unterschiedliche elektrochemische Potentiale auf, nämlich die erste Elektrode das erste elektrochemische Potential und die zweite Elektrode das zweite elektrochemische Potential. Zwischen den beiden Elektroden ist der Elektrolyt angeordnet, der ein Elektrolytmaterial aufweist. Der Elektrolyt kann flüssig sein, jedoch auch, beispielsweise im Falle der Lithium-Polymer-Batteriezelle, als Folie vorliegen. In diesem Fall ist das Elektrolytmaterial zur Ausbildung des Elektrolyten in einem Polymer gebunden, sodass der Elektrolyt insgesamt fest oder allenfalls gelartig ist. Die Batteriezelle liegt beispielsweise als gestapelte oder als gewickelte Batteriezelle vor.
Beispielsweise liegen an einer Außenseite des Gehäuses ein erster Stromanschluss und ein zweiter Stromanschluss der Batteriezelle vor. Der erste Stromanschluss ist elektrisch an die erste Elektrode angeschlossen, der zweite Stromanschluss an die zweite Elektrode. Über die beiden Stromanschlüsse kann der Batteriezelle elektrische Energie entnommen und - falls vorgesehen - zugeführt werden. Zur elektrischen Anbindung der ersten Elektrode an den ersten Stromanschluss und der zweiten Elektrode an den zweiten Stromanschluss können die Elektroden jeweils auf einem Träger angeordnet sein, also insbesondere die erste Elektrode auf einem ersten Träger und die zweite Elektrode auf einem zweiten Träger. Die Träger liegen bevorzugt als Metallfolie vor. Insbesondere sind die Elektroden über den jeweiligen Träger an den entsprechenden Stromanschluss der Batteriezelle elektrisch angeschlossen. Die Träger liegen vorzugsweise in Gestalt einer Folie vor. Zusätzlich oder alternativ bestehen die Träger aus Metall. Beispielsweise ist einer der Träger aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und ein anderer der Träger aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung hergestellt.
Das Gehäuse der Batteriezelle ist als geschlossenes Gehäuse ausgebildet. Das bedeutet, dass es die Elektroden und den Elektrolyten vollständig umgreift und diese von einer Außenumgebung der Batteriezelle separiert. Das Gehäuse ist derart ausgestaltet, dass es die Elektroden und den Elektrolyten während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Batteriezelle in dem Gehäuse hält. Es kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse ein Überdruckventil aufweist, welches bei Überschreiten eines Schwellenwerts durch eine Druckdifferenz zwischen einem Innenraum des Gehäuses, in welchem die Elektroden und der Elektrolyt angeordnet sind, oder dem Fluidraum einerseits und der Außenumgebung andererseits öffnet, insbesondere permanent öffnet. Hierdurch wird bei Auftreten eines zu starken Überdrucks in der Batteriezelle ein Platzen des Gehäuses zuverlässig verhindert und der Überdruck in Richtung der Außenumgebung abgebaut. Beispielsweise ist das Überdruckventil in einem Deckel des Gehäuses angeordnet, welcher den Innenraum beziehungsweise den Fluidraum zumindest bereichsweise begrenzt.
Der in der Batteriezelle verwendete Elektrolyt enthält das zumindest eine Lösungsmittel. Dieses dient dazu, das Elektrolytmaterial zur Ausbildung des Elektrolyten zu lösen beziehungsweise zu verdünnen. Als Lösungsmittel wird rein beispielhaft wenigstens eines der nachfolgend genannten Lösungsmittel verwendet: Ethylencarbonat (EC), Polycarbonat (PC), Dimethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Dichlormethan (DMC). Vorzugsweise enthält der Elektrolyt mehrere Lösungsmittel, insbesondere mehrere der genannten Lösungsmittel, sodass der Elektrolyt schlussendlich ein Lösungsmittelgemisch aufweist, welches die mehreren Lösungsmittel enthält. In anderen Worten besteht der Elektrolyt - abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen - aus dem Elektrolytmaterial und dem oder den Lösungsmitteln. Der Anteil der Verunreinigungen beträgt vorzugsweise höchstens 2 Vol.-%, höchstens 1 Vol.-% oder höchstens 0,5 Vol.% des Elektrolyten. Das Elektrolytmaterial ist vorzugsweise ein Salz, insbesondere ein lithiumbasiertes Salz.
Vorzugsweise ist in dem Gehäuse abseits der Elektroden und abseits des Elektrolyten ein Fluidraum ausgebildet, in welchem das Fluid vorliegt. Der Fluidraum bildet insoweit einen Teil des Innenraums des Gehäuses, in welchem das Elektrolytmaterial angeordnet ist. Das Fluid nimmt hierbei das gesamte Volumen des Fluidraums ein und weist insbesondere eine sich über die Zeit verändernde Zusammensetzung auf. In dem Gehäuse, insbesondere dem Fluidraum, sammelt sich Lösungsmittel, welches aus dem Elektrolyten ausgeschieden wird, insbesondere ausgegast wird. Das Lösungsmittel liegt also beispielsweise in gasförmiger Form in dem Gehäuse beziehungsweise dem Fluidraum vor. Das aus dem Elektrolyten ausgeschiedene Lösungsmittel bildet einen Bestandteil des in dem Gehäuse beziehungsweise dem Fluidraum vorliegenden Fluids. Unter dem Fluid kann grundsätzlich ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch verstanden werden. Insoweit kann das Fluid vollständig gasförmig, vollständig flüssig oder teilweise gasförmig und teilweise flüssig sein. Bevorzugt beschreibt das Fluid im Rahmen dieser Beschreibung ein Gas.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid ein deutlicher Indikator für den Zustand der Batteriezelle (State of Health, SoH) ist. Während zu Beginn einer Lebensdauer der Batteriezelle der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid gering ist, steigt er mit der Zeit bis zum Ende der Lebensdauer an, teilweise unumkehrbar. Zwar kann der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, möglicherweise auch teilweise von einem Ladezustand (State of Charge, SoC) der Batteriezelle abhängen, jedoch nicht vollständig. Falls die Abhängigkeit von dem Ladezustand gegeben sein sollte, so ist der von dem Ladezustand abhängige Teil reversibel und wird später wieder von dem Elektrolyten aufgenommen. Dieser Teil ist also erkennbar und auch korrigierbar. Ein anderer, nicht reversibler Teil des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid ist hingegen von dem Zustand der Batteriezelle abhängig. Anhand des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid lässt sich also der Zustand der Batteriezelle mit hoher Genauigkeit ermitteln. Beispielsweise kann anhand des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid auf eine verbleibende Lebensdauer der Batteriezelle geschlossen werden.
Aus diesem Grund soll der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid ermittelt werden. Hierzu dient die Sensoreinrichtung, welche in dem Gehäuse angeordnet ist, nämlich insbesondere vollständig. Das bedeutet, dass die Sensoreinrichtung vollständig unabhängig von einer Außenumgebung arbeitet, und insoweit autark arbeitet. Beispielsweise wird sie hierbei mit elektrischer Energie versorgt, welche unmittelbar der Batteriezelle entnommen ist. Zu diesem Zweck ist die Sensoreinrichtung vorzugsweise sowohl an die erste Elektrode als auch an die zweite Elektrode elektrisch angeschlossen. Unter der Anordnung der Sensoreinrichtung in dem Gehäuse kann auch verstanden werden, dass sie einen Teil des Gehäuses bildet.
Die Sensoreinrichtung dient der Messung der Permittivität des Fluids, welches in dem Fluidraum vorliegt. Die Permittivität beschreibt die die elektrische Leitfähigkeit des Fluids und folglich die Polarisationsfähigkeit des Fluids durch ein elektrisches Feld. Je größer der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid wird, umso stärker verändert sich die Permittivität ausgehend von einer zu Beginn der Lebensdauer der Batteriezelle für einen initialen Anteil des Fluidbestandteils vorliegenden Permittivität. Aus der Permittivität beziehungsweise einer Veränderung der Permittivität über der Zeit kann entsprechend auf den Anteil des Fluidbestandteils an dem Fluid auf besonders einfache Art und Weise geschlossen werden.
Aus dem Anteil kann wiederum auf den Gesundheitszustand der Batteriezelle geschlossen werden, insbesondere über die Ionenmobilität des Elektrolyten, die in diesem Fall anhand des Anteils bestimmt wird. Beispielsweise ist es vorgesehen, anhand des Anteils des Fluidbestandteils an dem Fluid eine Zusammensetzung des Elektrolyten zu ermitteln. Aus dieser wird anschließend der Gesundheitszustand bestimmt. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, aus dem Anteil des Fluidbestandteils einen Salzgehalt des Elektrolyten beziehungsweise einen Anteil des Salzes an dem Elektrolyten zu ermitteln. Auch der Anteil des Salzes kann als Indikator für den Gesundheitszustand verwendet beziehungsweise der Gesundheitszustand aus dem Anteil ermittelt werden.
Die beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil, dass der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, und mithin beispielsweise der Zustand der Batteriezelle allein aufgrund von internen Größen der Batteriezelle ermittelt werden. Es ist also nicht notwendig, eine extern gemessene Größe heranzuziehen oder auf einen Messwert einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Messeinrichtung zurückzugreifen. Da zudem die Messung der Permittivität auf rein physikalischem Weg erfolgt, wird keine Veränderung der Zellchemie bewirkt, sodass das Betreiben der Batteriezelle nicht negativ beeinflusst wird. Vielmehr wird auf äußerst zuverlässige und reproduzierbare Art und Weise auf den Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid und in Folge zum Beispiel auf den Zustand der Batteriezelle geschlossen. Unter der Permittivität kann im Übrigen entweder eine absolute Permittivität oder eine relative Permittivität zu verstehen sein. In letzterem Fall ist die Permittivität beispielsweise bezogen auf eine Referenzpermittivität, beispielsweise auf die elektrische Feldkonstante ε₀ eines Vakuums.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Ermitteln des Anteils des Fluidbestandteils wird aus der Permittivität der Fingerabdruck der Batteriezelle ermittelt. Unter dem Fingerabdruck ist eine eindeutige Kennung der Batteriezelle zu verstehen, anhand welcher sie eindeutig von anderen Batteriezellen unterscheidbar ist. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Fingerabdruck als Verlauf der Permittivität oder einer von der Permittivität abgeleiteten Größe vorliegt. Die von der Permittivität abgeleitete Größe ist zum Beispiel der Anteil des Fluidbestandteils. In anderen Worten soll die Permittivität oder die abgeleitete Größe über der Zeit erfasst und abgespeichert werden, sodass schlussendlich der Verlauf in Form des Fingerabdrucks vorliegt. Sofern im Rahmen dieser Beschreibung von der Permittivität oder dem Verlauf der Permittivität gesprochen wird, so kann alternativ stets die von der Permittivität abgeleitete Größe oder ihr Verlauf herangezogen werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, die Permittivität in diskret, also in bestimmten Zeitabständen, oder kontinuierlich oder zumindest nahezu kontinuierlich zu erfassen und in dem Verlauf zu hinterlegen. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die jeweils erfasste Permittivität dem Verlauf hinzugefügt wird, sodass die Zeitspanne, über welcher der Verlauf erfasst ist, stets länger wird.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Verlauf lediglich über eine bestimmte Zeitspanne ausgehend von der jeweils aktuell erfassten Permittivität in dem Verlauf abzuspeichern. In diesem Fall wird beispielsweise der älteste Wert der Permittivität aus dem Verlauf herausgenommen und die aktuell ermittelte Permittivität dem Verlauf hinzugefügt. Dies kann zum Beispiel erfolgen, wenn lediglich eine begrenzte Speicherkapazität zur Verfügung steht.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, die ermittelte Permittivität signiert in dem Verlauf zu hinterlegen, insbesondere kryptografisch signiert, beispielsweise mittels eines öffentlichen Schlüssels eines kryptografischen Schlüsselpaars eines asymmetrischen Kryptografiesystems. Die Einträge des Verlaufs, also die abgespeicherten Permittivitäten sind also mittels eines Public-Key-Verschlüsselungsverfahrens verschlüsselt. Bevorzugt ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, die ermittelte Permittivität zusammen mit wenigstens einer der zuvor in dem Verlauf abgespeicherten Permittivitäten oder einem Hashwert dieser wenigstens einen abgespeicherten Permittivität abzuspeichern. Beispielsweise wird der Verlauf wie folgt gebildet: Die ermittelte Permittivität wird in einem Eintrag des Verlaufs gespeichert. Zusätzlich wird in dem Eintrag ein Hashwert zumindest eines der bereits in dem Verlauf enthaltenen Einträge abgespeichert, insbesondere des zuletzt abgespeicherten Eintrags. Auf diese Art und Weise bildet der Verlauf eine Blockchain, in welcher jeder Eintrag die Hashfunktion des jeweils vorhergehenden Eintrags sowie die ermittelte Permittivität aufweist. Entsprechend ist eine nachträgliche Modifikation des Verlaufs und mithin des Fingerabdrucks der Batteriezelle effektiv unterbunden.
Eine solche Vorgehensweise dient dazu, eine Manipulation der Batteriezelle zuverlässig zu erkennen. Beispielsweise ist es vorgesehen, den Fingerabdruck beziehungsweise den Verlauf periodisch auszulesen und zu untersuchen. Hierbei wird insbesondere untersucht, ob sich der Fingerabdruck geändert hat oder ob der Verlauf der Permittivität Differenzen zwischen in dem Verlauf enthaltenen, insbesondere unmittelbar aufeinander folgend hinterlegten, Permittivitäten zeigt, die größer sind als ein Schwellenwert. Weicht der Fingerabdruck von einem hinterlegten Fingerabdruck ab oder überschreitet zumindest eine der Differenzen den Schwellenwert, so wird auf eine Modifikation der Batteriezelle erkannt. In diesem Fall wird bevorzugt ein Fehlersignal erzeugt, welches beispielsweise einem Benutzer der Batteriezelle angezeigt wird. Es kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass die Batteriezelle bei Zutreffen der beschriebenen Bedingungen, insbesondere bei dem Auftreten des Fehlersignals, unbrauchbar gemacht wird, besonders bevorzugt irreversibel. Hierdurch wird eine Manipulation zuverlässig unterbunden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Fluidraum bei oder nach einem Herstellen der Batteriezelle mit einem Inertgas gefüllt wird, sodass das Inertgas zumindest einen Teil des Fluids bildet. Bei dem Herstellen der Batteriezelle sammeln sich in dem Fluidraum verschiedene Fluidbestandteile an. Diese können beispielsweise wenigstens teilweise aus dem zumindest einen Lösungsmittel bestehen. Auch während der Ausbildung einer Elektrolytgrenzschicht (Solid Elektrolyte Interface, SEI) des Elektrolyten können Fluide, insbesondere gasförmige Fluidbestandteile, anfallen. Beispielsweise entstehen bei der Ausbildung der Elektrolytgrenzschicht Kohlenstoffmonooxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Äther und andere zyklische Karbonate an. Diese während des Herstellens der Batteriezelle anfallenden Fluidbestandteile werden zumindest teilweise, insbesondere größtenteils oder sogar vollständig, aus dem Fluidraum abgeführt, welcher stattdessen mit dem Inertgas gefüllt wird. Unter dem Inertgas ist ein Gas zu verstehen, welches mit dem Elektrolyten nicht oder allenfalls langsam reagiert. Beispielsweise wird ein Edelgas als Inertgas verwendet.
Das Inertgas bildet zumindest einen Teil des Fluids. Insbesondere stellt das Inertgas unmittelbar nach dem Herstellen der Batteriezelle beziehungsweise zu Beginn einer Lebensdauer der Batteriezelle einen Großteil des Fluids oder sogar das gesamte Fluid dar. Über der Zeit wird das Lösungsmittel aus dem Elektrolyten in das Inertgas eingetragen, sodass das Fluid nachfolgend als Gemisch aus dem Inertgas und dem, insbesondere gasförmigen, Fluidbestandteil beziehungsweise Lösungsmittel des Elektrolyten vorliegt. Mit der Zeit erhöht sich der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid, sodass dementsprechend der Anteil des Inertgases zurückgeht. Dieser Vorgang kann mithilfe des Sensoreinrichtung durch Messen der Permittivität auf einfache Art und Weise nachvollzogen werden. Hierzu ist das Inertgas insbesondere derart gewählt, dass es eine Permittivität aufweist, welche von der Permittivität des zumindest einen Fluidbestandteils, insbesondere des zumindest einen Lösungsmittels, verschieden ist.
Aus der mithilfe der Sensoreinrichtung gemessenen Permittivität des Fluids kann so auf einfache Art und Weise der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ wird der Anteil des Salzes an dem Elektrolyten ermittelt. Vorzugsweise ist es vorgesehen, eine bei einer ersten Messung ermittelte Permittivität des Fluids als Vergleichspermittivität abzuspeichern. Beispielsweise wird die erste Messung unmittelbar nach einer Inbetriebnahme der Batteriezelle, also vorzugsweise unmittelbar zu Beginn der Lebensdauer der Batteriezelle, vorgenommen. Es kann auch vorgesehen sein, die erste Messung noch während des Herstellens der Batteriezelle vorzunehmen. Mithilfe der Vergleichspermittivität kann auf einfache Art und Weise eine Veränderung der Permittivität des Fluids über der Zeit ermittelt und aus dieser der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid bestimmt werden. Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht insbesondere eine äußerst genaue Ermittlung des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Lösungsmittel, ein von dem Lösungsmittel verschiedener Bestandteil des Elektrolyten und/oder ein Zersetzungsprodukt des Elektrolyten als Fluidbestandteil verwendet werden. Auf den Einfluss des Lösungsmittels wurde vorstehend bereits eingegangen. Auch der andere Bestandteil des Elektrolyten, beispielsweise das Salz, kann jedoch als Bestandteil herangezogen werden. Dies gilt ebenfalls für das Zersetzungsprodukt. Dieses fällt bei einer Dekomposition des Elektrolyten an, beispielsweise bei einer thermischen Zersetzung und/oder einer Zersetzung aufgrund eines übermäßigen Auf- oder Entladens. Das Zersetzungsprodukt ist insbesondere Halogenwasserstoff, vorzugsweise Fluorwasserstoff. Der Halogenwasserstoff entsteht beispielsweise bei der Dekomposition des Lösungsmittels, insbesondere aufgrund des übermäßigen Auf- oder Entladens und/oder durch Wärmeeinfluss. Insbesondere entsteht der Halogenwasserstoff erst nach einer deutlichen Zunahme des Anteils des Lösungsmittels an dem Fluid. Besonders bevorzugt ist es daher, sowohl den Anteil des Lösungsmittels als auch den Anteil des Salzes und/oder des Zersetzungsprodukts an dem Fluid zu ermitteln, nämlich durch das Messen der Permittivität.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Fluidbestandteil als Bestandteil eines Fluidbestandteilgemischs verwendet wird, das sich aus unterschiedlichen Fluidbestandteilen zusammensetzt. Sofern das Lösungsmittels als Fluidbestandteil dient, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Lösungsmittel als Bestandteil eines dem Fluidbestandteilgemisch entsprechenden Lösungsmittelgemischs verwendet wird, das sich aus unterschiedlichen Lösungsmitteln zusammensetzt und Bestandteil des Elektrolyten ist. Der Elektrolyt weist also nicht lediglich das Lösungsmittel, sondern vielmehr mehrere unterschiedliche Lösungsmittel auf, die in ihrer Gesamtheit das Lösungsmittelgemisch bilden. In anderen Worten weist der Elektrolyt das Lösungsmittelgemisch auf, welches wiederum die mehreren unterschiedlichen Lösungsmittel enthält und sich aus diesen zusammensetzt. Auf eine derartige Ausgestaltung und mögliche Lösungsmittel wurde bereits hingewiesen. Die Verwendung der mehreren Lösungsmittel ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Abstimmen des Lösungsmittels beziehungsweise des Lösungsmittelgemischs auf das Elektrolytmaterial, sodass der Elektrolyt mit den gewünschten Eigenschaften realisiert wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinrichtung eine erste Messelektrode und eine von der ersten Messelektrode beabstandet angeordnete zweite Messelektrode aufweist, wobei durch Beaufschlagen der Messelektroden mit elektrischem Strom die Permittivität gemessen wird. Die beiden Messelektroden, also die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode, bilden gemeinsam mit einem Dielektrikum einen Messkondensator. Das Dielektrikum wird hierbei von dem Fluid oder zumindest einem Teil des Fluids gebildet. Die Messelektroden grenzen beispielsweise jeweils an den Fluidraum an oder sind in dem Fluidraum angeordnet. Die Messelektroden können einander gegenüber liegen und beispielsweise parallel beabstandet zueinander angeordnet sein. In diesem Fall ist zumindest ein Teil des Fluids zwischen den Messelektroden angeordnet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die beiden Messelektroden nebeneinander angeordnet sind. Hierbei können sie beispielsweise in einer gemeinsamen gedachten Ebene vorliegen oder gegeneinander angewinkelt sein. Beispielsweise sind die beiden Messelektroden V-förmig zueinander angeordnet, sodass auch hier ein Teil des Fluids zwischen ihnen vorliegt.
In jedem Fall werden die Messelektroden mit elektrischem Strom beaufschlagt, um hierdurch die Permittivität zu messen. Mithilfe der Messelektroden kann zunächst eine Kapazität des Messkondensators ermittelt werden. Diese Kapazität ist maßgeblich abhängig von der Permittivität, einem Flächeninhalt der Messelektroden sowie einem Abstand der Messelektroden voneinander, wobei der Flächeninhalt und der Abstand über der Zeit konstant sind. Eine Veränderung der Kapazität des Messkondensators bedeutet insoweit stets eine Veränderung der Permittivität, wobei die Permittivität und/oder ihre Veränderung unmittelbar aus der Kapazität berechnet werden können und auch berechnet werden. Hierdurch ist eine sehr genaue Ermittlung der Permittivität möglich.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei dem Messen der Permittivität die Messelektroden mit elektrischem Strom bei mindestens einer Messfrequenz beaufschlagt werden, insbesondere bei mehreren unterschiedlichen Messfrequenzen. Die Permittivität ist nicht lediglich von der Zusammensetzung des Fluids, insbesondere also von dem Anteil des Fluidbestandteils und/oder des Lösungsmittels an dem Fluid, abhängig, sondern es liegt eine zusätzliche Abhängigkeit der Permittivität von der Messfrequenz vor. Vorzugsweise ist die Messfrequenz, welche zum Messen der Permittivität verwendet wird, derart gewählt, dass der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid mit möglichst hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Das bedeutet, dass die Messfrequenz bevorzugt in Abhängigkeit von demjenigen Fluidbestandteils beziehungsweise Lösungsmittel gewählt wird, dessen Anteil an dem Fluid ermittelt werden soll.
Besonders bevorzugt kommen bei dem Messen der Permittivität unterschiedlichen Messfrequenzen zum Einsatz. Insbesondere wird die Permittivität nacheinander mit unterschiedlichen Messfrequenzen ermittelt, sodass nachfolgend mehrere Permittivitäten beziehungsweise mehrere Messwerte für die Permittivität vorliegen. Aus diesen mehreren Permittivitäten beziehungsweise Messwerten wird anschließend der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid ermittelt. Die Verwendung der unterschiedlichen Messfrequenzen ist insbesondere dann vorteilhaft, falls mehrere unterschiedliche Fluidbestandteile beziehungsweise Lösungsmittel als Bestandteil des Elektrolyten vorliegen. In diesem Fall kann anhand der mehreren Permittivitäten auf den jeweiligen Anteil jedes der mehreren Fluidbestandteile beziehungsweise Lösungsmittel geschlossen werden. Die mehreren unterschiedlichen Messfrequenzen sind hierbei vorzugsweise derart gewählt, dass sie eine Unterscheidung der Fluidbestandteile beziehungsweise der als Bestandteil des Elektrolyten verwendeten Lösungsmittel ermöglichen, nämlich durch unterschiedliche Frequenzantworten der Fluidbestandteile beziehungsweise der Lösungsmittel bei dem Messen der Permittivität unter Verwendung der Messelektroden. Hierdurch ist eine besonders genaue Ermittlung des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, oder sogar der Anteile der Fluidbestandteile beziehungsweise der Lösungsmittel, möglich.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für die unterschiedlichen Fluidbestandteile die jeweiligen Anteile an dem Fluid anhand hinterlegter Vergleichspermittivitäten der Fluidbestandteile ermittelt werden, insbesondere anhand von für unterschiedlichen Messfrequenzen hinterlegter Vergleichspermittivitäten. Beispielsweise werden also für die unterschiedlichen Lösungsmittel die jeweiligen Anteile an dem Fluid anhand hinterlegter Vergleichspermittivitäten der Lösungsmittel ermittelt, insbesondere anhand von für unterschiedlichen Messfrequenzen hinterlegter Vergleichspermittivitäten. Unter den Vergleichspermittivitäten sind die jeweiligen Permittivitäten der Fluidbestandteile beziehungsweise Lösungsmittel zu verstehen. Die Vergleichspermittivitäten können als absolute Permittivitäten oder als relative Permittivitäten hinterlegt sein, letztere beispielsweise bezogen auf die elektrische Feldkonstante des Vakuums. Anhand der Vergleichspermittivitäten kann aus der ermittelten Permittivität auf einfache Art und Weise auf den Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid geschlossen werden. Dies gilt ganz besonders, falls mehrere unterschiedliche Messfrequenzen zum Einsatz kommen. In diesem Fall sind die Vergleichspermittivitäten für die unterschiedlichen Messfrequenzen hinterlegt, sodass eine frequenzabhängige Auswertung der Anteile der der Fluidbestandteile, insbesondere der Lösungsmittel, an dem Fluid ohne weiteres bestimmt werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mittels der Sensoreinrichtung mindestens eine weitere Messgröße gemessen und zum Ermitteln des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid herangezogen wird. Der Anteil des Fluidbestandteils beziehungsweise seine Veränderung über der Lebensdauer der Batteriezelle wird von unterschiedlichen Zustandsgrößen der Batteriezelle beeinflusst. Vorzugsweise wird daher als weitere Messgröße eine Größe verwendet, welche die Veränderung des Anteils Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, über der Zeit beschreibt. Beispielsweise wird als weitere Messgröße eine der folgenden Größen verwendet: Temperatur der Batteriezelle, ein pH-Wert des Fluids, eine elektrische Leitfähigkeit des Fluids und ein Druck des Fluids. Unter der Temperatur der Batteriezelle ist beispielsweise eine Temperatur des Fluids oder eine Temperatur des Gehäuses zu verstehen. Zur Messung der Größen ist vorzugsweise jeweils ein geeigneter Sensor vorgesehen, welcher in dem geschlossenen Gehäuse angeordnet ist. Die Verwendung der wenigstens einen weiteren Messgröße, vorzugsweise mehrerer der weiteren Messgrößen, ermöglicht eine Verbesserung der Genauigkeit bei dem Ermitteln des Anteils des Lösungsmittels an dem Fluid.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an dem Gehäuse, insbesondere an einer Außenseite oder einer Innenseite des Gehäuses, ein elektrisch an die erste Elektrode angeschlossener erster Stromanschluss und ein elektrisch an die zweite Elektrode angeschlossener zweiter Stromanschluss angeordnet sind, wobei zumindest eine den elektrischen Strom zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Stromanschluss und/oder den elektrischen Strom zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Stromanschluss beschreibende Größe in Abhängigkeit von dem Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid und/oder von den Anteilen der unterschiedlichen Fluidbestandteile beziehungsweise Lösungsmitteln an dem Fluid eingestellt wird. Die Stromanschlüsse sind derart an dem Gehäuse, insbesondere an der Außenseite oder der Innenseite des Gehäuses, angeordnet und ausgebildet, dass sie von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktierbar sind. Die beiden Stromanschlüsse stellen unterschiedliche Pole der Batteriezelle da. Jeder der Stromanschlüsse ist an genau eine der Elektroden elektrisch angeschlossen.
Die Batteriezelle weist Mittel auf, um den elektrischen Strom beziehungsweise die den elektrischen Strom beschreibende Größe einzustellen, wobei der elektrische Strom zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Stromanschluss und/oder zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Stromanschluss vorliegt. Die Mittel zum Einstellen des Stroms beziehungsweise der den Strom beschreibenden Größe umfassen zum Beispiel wenigstens einen Schalter, insbesondere einen elektronischen Schalter, wie zum Beispiel einen Transistor. Der Transistor ist vorzugsweise als Bipolartransistor, MOSFET oder IBGT ausgestaltet.
Unter der Größe ist beispielsweise eine Stromstärke oder eine Spannung des elektrischen Stroms zu verstehen. Die Größe wird zunächst in Abhängigkeit von dem Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid beziehungsweise den Anteilen der unterschiedlichen Lösungsmittel an dem Fluid ermittelt und anschließend eingestellt, sodass der gewünschte Wert der Größe zwischen der entsprechenden Elektrode und dem entsprechenden Stromanschluss vorliegt. Beispielsweise ist es vorgesehen, die Größe umso kleiner zu wählen, je größer der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid ist. Folglich wird so zum Beispiel eine Begrenzung der Stromstärke des durch die Batteriezelle fließenden elektrischen Stroms erzielt, welche umso stärker ausgeprägt ist, je größer der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid ist. Hierdurch erfolgt eine sachgerechte Abstimmung des Betriebs der Batteriezelle auf ihren Zustand.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Batteriezelle mittels einer Kommunikationseinrichtung den Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, und/oder einer von dem Anteil abgeleiteten Größe an eine außerhalb der Batteriezelle angeordnete Gegenstelle überträgt und von der Gegenstelle eine Stellgröße empfängt, die bei dem Einstellen der den elektrischen Strom beschreibende Größe herangezogen wird. Es ist insoweit vorgesehen, dass zwar der Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid und/oder der von dem Anteil abgeleiteten Größe mithilfe der Sensoreinrichtung innerhalb des geschlossenen Gehäuses der Batteriezelle ermittelt wird, eine weitere Auswertung des Anteils beziehungsweise der Größe jedoch außerhalb der Batteriezelle vorgenommen wird. Hierzu wird der Anteil beziehungsweise die Größe an die Gegenstelle übertragen, welche außerhalb der Batteriezelle angeordnet ist. Als die von dem Anteil abgeleitete Größe wird vorzugsweise die Zusammensetzung des Elektrolyten oder der Gesundheitszustand der Batteriezelle verwendet.
Die Gegenstelle ermittelt aus dem übertragenen Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, und/oder der von dem Anteil abgeleiteten Größe die Stellgröße und überträgt diese wiederum an die Kommunikationseinrichtung der Batteriezelle. Diese Stellgröße wird nachfolgend bei dem Einstellen der den elektrischen Strom beschreibende Größe verwendet. Beispielsweise wird die Stellgröße unmittelbar als die den elektrischen Strom beschreibende Größe verwendet und direkt eingestellt. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht nicht lediglich die Berücksichtigung des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, und/oder der von dem Anteil abgeleiteten Größe bei dem Einstellen des elektrischen Stroms beziehungsweise der diesen beschreibenden Größe. Vielmehr können auch andere Größen herangezogen werden, welche beispielsweise außerhalb der Batteriezelle ermittelt werden. Die beschriebene Vorgehensweise ist insbesondere dann sinnvoll, falls die Batteriezelle Bestandteil einer Batteriezellenanordnung ist, welche zusätzlich zu der Batteriezelle eine Vielzahl weiterer Batteriezellen enthält, welche jeweils analog zu der Batteriezelle ausgestaltet sind. In diesem Fall kann die Stellgröße in Abstimmung mit den von den weiteren Batteriezellen übermittelten Anteilen des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem jeweiligen Fluid und/oder der von dem Anteil abgeleiteten Größen ermittelt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batteriezelle, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei die Batteriezelle ein geschlossenes Gehäuse aufweist, in welchem zumindest eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem von dem ersten elektrochemischen Potential verschiedenen zweiten elektrochemischen Potential sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter, zumindest ein Lösungsmittel enthaltender Elektrolyt vorliegen. Dabei ist die Batteriezelle dazu vorgesehen und ausgestaltet, unter Verwendung einer in dem Gehäuse angeordneten Sensoreinrichtung die Permittivität eines in dem Gehäuse vorliegenden Fluids zu messen und aus der Permittivität den Anteil eines Fluidbestandteils an dem Fluid und/oder einen Fingerabdruck der Batteriezelle zu ermitteln.
Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Batteriezelle beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Batteriezelle als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Erfindung betrifft zudem eine Batteriezellenanordnung, mit mehreren Batteriezellen, insbesondere mit jeweils gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung ausgebildeten Batteriezellen, wobei jede der Batteriezellen ein geschlossenes Gehäuse aufweist, in welchem zumindest eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem von dem ersten elektrochemischen Potential verschiedenen zweiten elektrochemischen Potential sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter, zumindest ein Lösungsmittel enthaltender Elektrolyt vorliegen. Dabei ist jede der Batteriezellen dazu vorgesehen und ausgestaltet, unter Verwendung einer in dem Gehäuse angeordneten Sensoreinrichtung die Permittivität eines in dem Gehäuse vorliegenden Fluids zu messen und aus der Permittivität den Anteil eines Fluidbestandteils an den Fluid und/oder einen Fingerabdruck der Batteriezelle zu ermitteln.
Erneut wird hinsichtlich der Vorteile und möglicher vorteilhafter Ausgestaltungen auf die Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung verwiesen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jede der Batteriezellen über eine Kommunikationseinrichtung zum Übertragen des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, und/oder einer von dem Anteil abgeleiteten Größe an eine außerhalb der Batteriezelle angeordnete Gegenstelle der Batteriezellenanordnung und zum Empfangen einer Stellgröße von der Gegenstelle verfügt. Auch hierauf wurde bereits eingegangen. Mithilfe der Kommunikationseinrichtung wird der ermittelte Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid und/oder die von dem Anteil abgeleiteten Größe an die Gegenstelle übertragen, welche außerhalb der Batteriezelle vorliegt. Die Gegenstelle ist beispielsweise dazu vorgesehen und ausgestaltet, von mehreren der Batteriezellen, insbesondere von allen Batteriezellen der Batteriezellenanordnung, die jeweils übertragenen Anteile des Fluidbestandteils beziehungsweise des Lösungsmittels und/oder die von den Anteilen abgeleiteten Größen zu empfangen und auszuwerten. Aus dem Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, beziehungsweise den Anteilen der Fluidbestandteile, insbesondere der Lösungsmittel, wird die Stellgröße berechnet und an die Kommunikationseinrichtungen der Batteriezellen übermittelt. Zusätzlich oder alternativ wird hierzu die von dem Anteil abgeleitete Größe verwendet. Bevorzugt erfolgt das Berechnen der Stellgröße für jede der Batteriezellen separat, sodass die Batteriezellen durchaus mit unterschiedlichen Stellgrößen betreibbar sind beziehungsweise zumindest zeitweise betrieben werden.
Die in der Beschreibung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, insbesondere die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungsformen als von der Erfindung umfasst anzusehen, die in der Beschreibung und/oder den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch die Kombination von Merkmalen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen oder aus ihnen ableitbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:

1 eine schematische Explosionsdarstellung eines Bereichs einer Batteriezelle, welche über eine elektrische Schaltung mit einer Sensoreinrichtung zur Messung der Permittivität eines Fluids verfügt,
2 eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung, sowie
3 eine weitere schematische Darstellung der elektrischen Schaltungen mit einer Prinzipdarstellung für die Messung der Permittivität.

Die 1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung einer Batteriezelle 1, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als zylindrische Zelle, insbesondere als kreiszylindrische Zelle, ausgestaltet ist. Die Batteriezelle 1 verfügt über ein geschlossenes Gehäuse 2 mit einem zylindrischen Grundkörper 3, der endseitig mit einem Deckel 4 verschlossen ist. An dem Gehäuse 2 sind außenseitig ein erster Stromanschluss 5 sowie ein hier nicht dargestellter zweiter Stromanschluss 6 angeordnet beziehungsweise ausgebildet.
In dem Gehäuse 2 ist eine galvanische Zelle 7 der Batteriezelle 1 angeordnet. Die galvanische Zelle 7 verfügt über eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential, über eine zweite Elektrode mit einem zweiten elektrochemischen Potential sowie über einen Elektrolyten, welche hier nicht im Detail dargestellt sind. Zwischen der galvanischen Zelle 7 und dem Deckel 4 liegt ein Fluidraum 8 vor, in welchem eine elektrische Schaltung 9 angeordnet ist. Die elektrische Schaltung 9 verfügt über einen ersten Anschluss 10, einen zweiten Anschluss 11 sowie einen dritten Anschluss 12.
Der erste Anschluss 10 ist über einen ersten elektrischen Leiter 13 elektrisch mit der ersten Elektrode der galvanischen Zelle 7 verbunden. Der zweite Anschluss 11 der Schaltung 9 ist über einen zweiten elektrischen Leiter 14 mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden. Der zweite elektrische Leiter 14 kann von einem Bereich des Gehäuses 2, insbesondere von dem Grundkörper 3, gebildet sein. Alternativ kann der zweite elektrische Leiter 14 jedoch auch als von dem Gehäuse 2 separater Leiter ausgestaltet sein. Der dritte Anschluss 12 der Schaltung 9 schließlich ist elektrisch an den ersten Stromanschluss 5 angebunden.
Entsprechend ist die Schaltung 9 sowohl mit den beiden Elektroden der galvanischen Zelle 7 als auch mit einem der Stromanschlüsse 5 und 6, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiele dem ersten Stromanschluss 5, elektrisch verbunden, nämlich vorzugsweise permanent. Alternativ kann es selbstverständlich vorgesehen sein, dass der dritte Anschluss 12 nicht mit dem ersten Stromanschluss 5, sondern mit dem zweiten Stromanschluss 6 elektrisch verbunden ist. Von Bedeutung ist lediglich, dass die Schaltung 9 elektrisch zwischen einer der Elektroden und einem der Stromanschlüsse 5 und 6 vorliegt.
Die elektrische Schaltung 9 verfügt über eine Kommunikationseinrichtung 15, die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als optische Kommunikationseinrichtung, insbesondere als IR-Kommunikationseinrichtung, ausgestaltet ist. Die Kommunikationseinrichtung 15 kommuniziert zumindest zeitweise mit einer außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Gegenstelle. Hierzu verfügt das Gehäuse 2 über ein Sichtfenster 16, welches für die von der Kommunikationseinrichtung 15 ausgesandte elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Das Sichtfenster 16 ist über der Kommunikationseinrichtung 15 angeordnet.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung 9. Erkennbar sind die Anschlüsse 10, 11 und 12 sowie die Kommunikationseinrichtung 15. Zusätzlich zu diesen weist die Schaltung 9 einen Mikroprozessor 17 sowie einen Speicher 18 auf. Der Mikroprozessor ist elektrisch an den ersten Anschluss 10 und den zweiten Anschluss 11 angeschlossen. Entsprechend wird er unmittelbar von der galvanischen Zelle 7 mit elektrischem Strom versorgt.
An den Mikroprozessor 17 ist eine Sensoreinrichtung 19 elektrisch angeschlossen, die zum Messen einer Permittivität eines in dem Fluidraum 8 vorliegenden Fluids dient. Weiter ist der Mikroprozessor 17 über eine Treiberschaltung 20 an einen elektrischen Schalter 21 angeschlossen, welcher elektrisch zwischen dem ersten Anschluss 10 und dem dritten Anschluss 12 angeordnet ist. In einer ersten Schalteinstellung des Schalters 21 ist eine elektrische Verbindung durch die elektrische Schaltung 9 zwischen dem ersten Anschluss 10 und dem dritten Anschluss 12 unterbrochen und in einer zweiten Schalteinstellung hergestellt. Durch entsprechendes Ansteuern des elektrischen Schalters 21, insbesondere unter Verwendung des Mikroprozessors 17, kann insoweit eine den elektrischen Strom zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Stromanschluss 5 beschreibende Größe eingestellt werden.
Dieses Einstellen erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von einem Messwert der Sensoreinrichtung 19. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Messwert der Sensoreinrichtung 19 mittels der Kommunikationseinrichtung 15 an die außerhalb des Gehäuses 2 angeordnete Gegenstelle zu übermitteln, welche daraufhin die einzustellende Größe an die Kommunikationseinrichtung 15 überträgt. Diese übermittelte Größe wird nachfolgend von dem Mikroprozessor 17 an dem elektrischen Schalter 21 eingestellt. Der elektrische Schalter 21 liegt insbesondere in Form eines Transistors, insbesondere in Form eines Leistungstransistors, vor. Beispielsweise ist der elektrischen Schalter als Bipolartransistor, MOSFET oder IGBT ausgestaltet.
Die 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung der Schaltung 9, wobei eine Funktionsskizze der Sensoreinrichtung 19 gezeigt ist. Es wird deutlich, dass die Sensoreinrichtung 19 eine erste Messelektrode 22 und eine zweite Messelektrode 23 aufweist. Die Messelektroden 22 und 23 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nebeneinander an einer Unterseite der Schaltung 9 angeordnet und liegen in einer gemeinsamen gedachten Ebene. Zur Verdeutlichung des Messprinzips sind sie in der Funktionsskizze parallel beabstandet dargestellt. Auch eine solche Anordnung kann im Rahmen der Schaltung 9 realisiert sein. Gemäß der Funktionsskizze liegt zwischen den Messelektroden 22 und 23 ein in dem Fluidraum 8 angeordnetes Fluid vor, welches eine bestimmte Permittivität ε aufweist. Die Messelektroden 22 und 23 zeichnen sich zudem durch einen bestimmten Flächeninhalt A und einen Abstand d aus.
Die Messelektroden 22 und 23 werden nun mit elektrischem Strom beaufschlagt, nämlich bei einer Messfrequenz f_e, welche an der ersten Messelektrode 22 anliegt. Der sich an der zweiten Messelektrode 23 einstellende elektrische Strom, beispielsweise die dort anliegende Spannung, ist abhängig von der Permittivität ε und der Messfrequenz f_e. Entsprechend kann mithilfe der Sensoreinrichtung 19 unmittelbar auf die Permittivität des Fluids in dem Fluidraum 8 geschlossen werden. Beispielsweise wird hierbei zunächst die Kapazität eines von den Messelektroden 22 und 23 gebildeten Messkondensators gemessen. Aus dieser Kapazität wird anschließend die Permittivität ε berechnet.
Anhand der Permittivität ε kann anschließend auf einen Anteil eines Fluidbestandteils, insbesondere eines Lösungsmittels, an dem in dem Fluidraum 8 vorliegenden Fluid geschlossen werden, wobei der Fluidbestandteil beziehungsweise das Lösungsmittel aus dem Elektrolyten der galvanischen Zelle 7 stammt oder von diesem gebildet werden. Beispielsweise dünstet das Lösungsmittel über die Lebensdauer der Batteriezelle 1 aus dem Elektrolyten aus, wobei das Ausdünsten von Betriebsbedingungen und Umgebungsbedingungen, welchen die Batteriezelle 1 ausgesetzt ist, beeinflusst wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Fluidbestandteil aus dem Elektrolyten gebildet werden, beispielsweise durch Dekomposition, insbesondere thermische Dekomposition. Anhand des Anteils des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid kann beispielsweise auf zuverlässige Art und Weise auf den Zustand der Batteriezelle 1 geschlossen werden.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, die Batteriezelle 1 in Abhängigkeit von dem Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid zu betreiben und hierbei insbesondere die Größe, welche den Strom beziehungsweise Stromfluss zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Stromanschluss 5 beschreibt, in Abhängigkeit von dem Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid zu bestimmen und unter Verwendung des elektrischen Schalters 21 einzustellen. Als Größe kann hierbei beispielsweise die Stromstärke oder die Spannung des elektrischen Stroms herangezogen werden. Insbesondere ist es vorgesehen, aus dem Anteil des Fluidbestandteils, insbesondere des Lösungsmittels, an dem Fluid eine Nennstromstärke und/oder eine Nennspannung der Batteriezelle 1 zu ermitteln und die durch die Batteriezelle 1 fließende Stromstärke und/oder die von der Batteriezelle 1 bereitgestellte Spannung auf die Nennstromstärke beziehungsweise die Nennspannung zu begrenzen. Hierdurch ist ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb der Batteriezelle 1 sichergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012210595 A1 [0002]
DE 102015223136 A1 [0003]
DE 102014116451 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle (1), die ein geschlossenes Gehäuse (2) aufweist, in welchem zumindest eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem von dem ersten elektrochemischen Potential verschiedenen zweiten elektrochemischen Potential sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter, zumindest ein Lösungsmittel enthaltender Elektrolyt vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Sensoreinrichtung (19) die Permittivität eines in dem Gehäuse (2) vorliegenden Fluids gemessen und aus der Permittivität der Anteil eines Fluidbestandteils an dem Fluid und/oder ein Fingerabdruck der Batteriezelle (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel, ein von dem Lösungsmittel verschiedener Bestandteil des Elektrolyten und/oder ein Zersetzungsprodukt des Elektrolyten als Fluidbestandteil verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidbestandteil als Bestandteil eines Fluidbestandteilgemischs verwendet wird, dass sich aus unterschiedlichen Fluidbestandteilen zusammensetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (19) eine erste Messelektrode (22) und eine von der ersten Messelektrode (22) beabstandet angeordnete zweite Messelektrode (23) aufweist, wobei durch Beaufschlagen der Messelektroden (22, 23) mit elektrischem Strom die Permittivität gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Messen der Permittivität die Messelektroden (22, 23) mit elektrischem Strom bei wenigstens einer Messfrequenz beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die unterschiedlichen Fluidbestandteile die jeweiligen Anteile an dem Fluid anhand hinterlegter Vergleichspermittivitäten der Fluidbestandteile ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (2) ein elektrisch an die erste Elektrode angeschlossener erster Stromanschluss (5) und ein elektrisch an die zweite Elektrode angeschlossener zweiter Stromanschluss (6) angeordnet sind, wobei zumindest eine den elektrischen Strom zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Stromanschluss (5) und/oder den elektrischen Strom zwischen der zweiten Elektrode und dem zweiten Stromanschluss (6) beschreibende Größe in Abhängigkeit von dem Anteil des Fluidbestandteils an dem Fluid und/oder den Anteilen der unterschiedlichen Fluidbestandteile an dem Fluid eingestellt wird.
Batteriezelle (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle (1) ein geschlossenes Gehäuse (2) aufweist, in welchem zumindest eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem von dem ersten elektrochemischen Potential verschiedenen zweiten elektrochemischen Potential sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter, zumindest ein Lösungsmittel enthaltender Elektrolyt vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (1) dazu vorgesehen und ausgestaltet ist, unter Verwendung einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Sensoreinrichtung (19) die Permittivität eines in dem Gehäuse (2) vorliegenden Fluids zu messen und aus der Permittivität den Anteil eines Fluidbestandteils an dem Fluid und/oder einen Fingerabdruck der Batteriezelle (1) zu ermitteln.
Batteriezellenanordnung, mit mehreren Batteriezellen (1), insbesondere mit jeweils nach Anspruch 8 ausgebildeten Batteriezellen (1), wobei jede der Batteriezellen (1) ein geschlossenes Gehäuse (2) aufweist, in welchem zumindest eine erste Elektrode mit einem ersten elektrochemischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem von dem ersten elektrochemischen Potential verschiedenen zweiten elektrochemischen Potential sowie ein zwischen den Elektroden angeordneter, zumindest ein Lösungsmittel enthaltender Elektrolyt vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Batteriezellen (1) dazu vorgesehen und ausgestaltet ist, unter Verwendung einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Sensoreinrichtung (19) die Permittivität eines in dem Gehäuse (2) vorliegenden Fluids zu messen und aus der Permittivität den Anteil eines Fluidbestandteils an dem Fluid und/oder einen Fingerabdruck der Batteriezelle (1) zu ermitteln.
Batteriezellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Batteriezellen (1) über eine Kommunikationseinrichtung (15) zum Übertragen des Anteils des Fluidbestandteils und/oder einer von dem Anteil abgeleiteten Größe an eine außerhalb der Batteriezelle (1) angeordnete Gegenstelle der Batteriezellenanordnung und zum Empfangen einer Stellgröße von der Gegenstelle verfügt.