DE102021000083A1

DE102021000083A1 - Elektrischer Energiespeicher und Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102021000083A1
Application number: DE102021000083.8A
Authority: DE
Inventors: Sarah-Katharina Hahn; Gerd Wagenhaus; Ulrich Krause; Christian Daniel; Pascal Vorwerk
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-01-04
Publication date: 2022-07-07
Also published as: WO2022144288A3; WO2022144288A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einer oder mehreren Energiespeicherzellen, wobei eine Dehnungsmesseinheit eine Verformung der Energiespeicherzellen entlang einer Richtung bestimmt. Dadurch können Fehler rechtzeitig erkannt werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein zugehöriges Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einer Energiespeicherzelle oder mehreren Energiespeicherzellen sowie ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers.
Elektrische Energiespeicher weisen typischerweise eine oder mehrere Energiespeicherzellen auf, wobei derartige Energiespeicherzellen insbesondere zum elektrochemischen Speichern von Energie ausgebildet sein können. Typischerweise sind diese wiederaufladbar, so dass nach einer vollständigen oder zumindest teilweisen Stromentnahme wieder Strom zugeführt und gespeichert werden kann. Solche elektrischen Energiespeicher können beispielsweise zur Stromversorgung von Kraftfahrzeugen, anderen mobilen Einheiten oder auch stationären Einheiten verwendet werden.
Typische Energiespeicherzellen wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien haben die Eigenschaft, dass sie bei einer Überbeanspruchung in einen nicht mehr beherrschbaren exothermen Prozess übergehen können. Man spricht hierbei auch von einem „Thermal Runaway“.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Energiespeicher vorzusehen, welcher im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ oder besser ausgeführt ist, beispielsweise mit Bezug auf das Erkennen möglicher Fehler- oder Alterungszustände. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, ein zugehöriges Verfahren vorzusehen. Dies wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Energiespeicher und ein Verfahren gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher. Der elektrische Energiespeicher weist eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen auf, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind.
Der elektrische Energiespeicher weist ein erstes Abschlusselement und ein zweites Abschlusselement auf, wobei das erste Abschlusselement an eine erste endseitige Energiespeicherzelle angrenzt und das zweite Abschlusselement an eine zweite endseitige Energiespeicherzelle angrenzt, so dass sich die Energiespeicherzellen zwischen den Abschlusselementen erstrecken.
Der elektrische Energiespeicher weist ein Verbindungselement oder mehrere Verbindungselemente auf, wobei jedes Verbindungselement das erste Abschlusselement und das zweite Abschlusselement mechanisch miteinander verbindet. Der elektrische Energiespeicher weist ferner mindestens eine Dehnungsmesseinheit auf, welche in einem Verbindungselement angeordnet ist, und zwar zur Bestimmung einer Veränderung eines Abstands zwischen den Abschlusselementen entlang des jeweiligen Verbindungselements.
Mittels eines solchen elektrischen Energiespeichers kann eine Änderung einer Länge zwischen den Abschlusselementen erkannt werden. Eine solche Längenänderung weist typischerweise darauf hin, dass sich zumindest eine der Energiespeicherzellen verformt hat. Eine solche Verformung ist typischerweise ein Anzeichen dafür, dass in einer elektrischen Energiespeicherzelle chemische Prozesse stattfinden, welche über einen normalen Lade- oder Entladevorgang hinausgehen. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Gasentwicklung handeln, welche bei Überlastung auftreten kann und dazu führen kann, dass sich die Energiespeicherzelle aufgrund eines intern entstehenden Überdrucks ausdehnt. Eine solche Ausdehnung kann somit ein Hinweis auf ein Fehlverhalten oder auf eine eventuell bevorstehende Temperaturerhöhung sein. Dementsprechend können beispielsweise Parameter bezüglich Verwendung der Energiespeicherzelle angepasst werden oder es kann beispielsweise ein Lade- oder Entnahmevorgang unterbrochen oder eine Warnung ausgegeben werden. Dies ermöglicht es, schon auf sich abzeichnende Fehlerzustände rechtzeitig zu reagieren und damit eventuellen Schäden vorzubeugen.
Die Anordnung der Dehnungsmesseinheit oder auch von mehreren Dehnungsmesseinheiten in jeweils einem Verbindungselement hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, da die Dehnungsmesseinheit somit seitlich neben den Energiespeicherzellen angeordnet werden kann, also nicht so angeordnet werden muss, dass sich der Gesamtaufbau entlang der bereits erwähnten Richtung verlängert. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung. Außerdem wird das ansonsten bestehende Problem vermieden, dass bei Anordnung einer Dehnungsmesseinheit zwischen Energiespeicherzellen und einem Abschlusselement aufgrund unterschiedlicher Dimensionen ein Kontakt schwer herstellbar ist oder eine aufwändige Dimensionsanpassung erfolgen muss. Die Verbindungselemente hätten auch ohne Dehnungsmesseinheit eine Funktion im elektrischen Energiespeicher, und die Integration einer Dehnungsmesseinheit in ein solches Verbindungselement ist konstruktiv einfach und insbesondere ohne zusätzliche Bauraumerfordernis umsetzbar.
Bei den Energiespeicherzellen kann es sich insbesondere um elektrische oder elektrochemische Energiespeicherzellen handeln.
Eine Anordnung, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart ist, kann insbesondere bedeuten, dass die Energiespeicherzellen entlang der Richtung gesehen unmittelbar aneinander angrenzen, oder auch, dass zwischen den Energiespeicherzellen jeweilige Zwischenelemente wie beispielsweise Folien, Platten oder Abstandshalter vorhanden sind. Typischerweise führt eine Verformung einer der Energiespeicherzellen somit zumindest zu einer Änderung der Gesamtlänge des elektrischen Energiespeichers entlang der Richtung oder entlang einer anderen Messlinie. Dies kann durch die bereits erwähnte mindestens eine Dehnungsmesseinheit aufgenommen und gemessen werden.
Für den Fall der Verwendung nur einer Energiespeicherzelle grenzt diese natürlich nicht an andere Energiespeicherzellen des Energiespeichers an.
Für den Fall, dass nur eine Energiespeicherzelle vorhanden ist, kann diese als endseitige Energiespeicherzelle in beiden Richtungen verstanden werden. Typischerweise grenzen dann beide Abschlusselemente an diese Energiespeicherzelle an. Die Abschlusselemente können separat ausschließlich dem Energiespeicher zugeordnet sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschlusselement Bestandteil eines anderen Elements des Kraftfahrzeugs ist und/oder eine zusätzliche Funktion hat. Beispielsweise kann ein Abschlusselement gleichzeitig eine Batteriewanne und/oder ein Bestandteil einer Karosserie des Kraftfahrzeugs sein.
Entlang der Richtung kann sich typischerweise ein Stapel von Energiespeicherzellen erstrecken. Beispielsweise kann jede Energiespeicherzelle einen Querschnitt aufweisen, welcher quer zur Richtung angeordnet ist und sich entlang der Richtung typischerweise nicht oder nur geringfügig ändert. Dies kann beispielsweise bei Pouch-Zellen der Fall sein. Die Richtung kann typischerweise bei einem elektrischen Energiespeicher in sinnvoller Weise gewählt werden. Sie muss nicht zwingend optisch an Komponenten erkennbar sein, kann jedoch in vielen Fällen parallel und/oder quer zu diversen Komponenten des elektrischen Energiespeichers sein. Die Richtung kann insbesondere parallel zu den Verbindungselementen sein.
Das erste Abschlusselement kann insbesondere als Abschlussplatte ausgebildet sein. Ebenso kann das zweite Abschlusselement insbesondere als Abschlussplatte ausgebildet sein. Derartige Platten können beispielsweise parallel zu den Energiespeicherzellen angeordnet sein. Sie können insbesondere den elektrischen Energiespeicher an jeweiligen Seiten abschließen. Insbesondere können die Energiespeicherzellen zwischen den beiden Abschlusselementen verspannt sein.
Insbesondere können das Verbindungselement oder die Verbindungselemente dafür sorgen, dass die beiden Abschlusselemente gegeneinander verspannt werden. Dadurch kann ein Druck auf die Energiespeicherzellen erzeugt werden, welcher diese zusammenhält. Des Weiteren können die Verbindungselemente dazu ausgebildet sein, die Position der beiden Abschlusselemente zueinander zu definieren.
Ein Abstand zwischen den Abschlusselementen entlang des jeweiligen Verbindungselements kann beispielsweise ein Abstand zwischen einem ersten Verbindungspunkt und einem zweiten Verbindungspunkt sein, wobei das Verbindungselement am ersten Verbindungspunkt mit dem ersten Abschlusselement verbunden ist oder zumindest daran angrenzt und wobei das Verbindungselement an dem zweiten Verbindungspunkt mit dem zweiten Abschlusselement verbunden ist oder zumindest daran angrenzt. Typischerweise verlaufen die Verbindungselemente geradlinig, so dass der jeweilige Abstand entlang eines solchen Verbindungselements gemessen werden kann. Dementsprechend kann auch eine Veränderung eines solchen Abstands bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführung weist der elektrische Energiespeicher lediglich eine Dehnungsmesseinheit auf. Dies entspricht einer einfachen Ausführung, welche typischerweise bereits ausreicht, um möglicherweise kritische Zustände oder sonstige Veränderungen in den Energiespeicherzellen zu erkennen. Gemäß jeweiligen Ausführungen weist der elektrische Energiespeicher zwei, drei oder vier Dehnungsmesseinheiten auf, welche in jeweils einem Verbindungselement angeordnet sind. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher vier Verbindungselemente aufweisen, und in jedem dieser Verbindungselemente kann eine Dehnungsmesseinheit angeordnet sein. Ebenso kann auch nur in einigen der Verbindungselemente eine jeweilige Dehnungsmesseinheit angeordnet sein.
Vorzugsweise kann bei einem Verbindungselement, einigen oder allen Verbindungselementen mit Dehnungsmesseinheit zwischen der Dehnungsmesseinheit und dem ersten Abschlusselement ein elastischer Abschnitt ausgebildet sein. Ebenso kann vorzugsweise bei einem Verbindungselement, einigen oder allen Verbindungselementen mit Dehnungsmesseinheit zwischen der Dehnungsmesseinheit und dem zweiten Abschlusselement ein elastischer Abschnitt ausgebildet sein. Derartige elastische Abschnitte können dafür sorgen, dass in Serie mit einer jeweiligen Dehnungsmesseinheit eine elastische Dehnung des jeweiligen Verbindungselements möglich ist. Dadurch kann das jeweilige Verbindungselement auch bei Vorhandensein einer Dehnungsmesseinheit dazu genutzt werden, um die beiden Abschlusselemente gegeneinander zu verspannen. Typischerweise sind die elastischen Abschnitte in einem Ruhezustand zumindest leicht gespannt, so dass die beiden Abschlusselemente aufeinander zu gespannt werden. Dies kann auch in Verbindung mit Verbindungselementen erfolgen, welche keine Dehnungsmesseinheit aufweisen und welche ebenfalls elastische Abschnitte aufweisen können. Insbesondere können in allen Verbindungselementen ein jeweiliger elastischer Abschnitt oder auch mehrere elastische Abschnitte ausgebildet sein.
Insbesondere kann bei einem Verbindungselement, einigen oder allen Verbindungselementen ohne Dehnungsmesseinheit zwischen dem ersten Abschlusselement und dem zweiten Abschlusselement ein elastischer Abschnitt ausgebildet sein. Ein solcher elastischer Abschnitt kann ebenfalls dafür sorgen, dass die beiden Abschlusselemente aufeinander zu verspannt werden und somit eine die Energiespeicherzellen zusammenhaltende Kraft erzeugt wird.
Insbesondere können die Verbindungselemente außerhalb von elastischen Abschnitten und Dehnungsmesseinheiten starr sein. Dadurch kann eine Übertragung der von den elastischen Abschnitten und/oder von den Dehnungsmesseinheiten erzeugten elastischen Kräfte auf die Abschlusselemente erfolgen.
Die Verbindungselemente können insbesondere eine identische oder zumindest in etwa identische Kraft erzeugen, welche die Abschlusselemente aufeinander zu spannt. Dies gilt insbesondere unabhängig davon, ob in den Verbindungselementen Dehnungsmesseinheiten enthalten sind oder nicht.
Das erste Abschlusselement kann insbesondere unmittelbar an eine endseitige Energiespeicherzelle angrenzen. Ebenso kann das zweite Abschlusselement unmittelbar an eine endseitige Energiespeicherzelle angrenzen. Dadurch können die Abschlusselemente die Energiespeicherzellen abschließen und beispielsweise einen Druck auf diese ausüben, um sie in sinnvoller Weise zusammenzuhalten. Bei einer Verformung zumindest einer der Energiespeicherzellen kann eine solche Verformung unmittelbar auf die Abschlusselemente übertragen werden, so dass eine entsprechende Veränderung eines Abstands gemessen werden kann. Es können beispielsweise auch jeweilige Folien zwischen Abschlusselement und endseitiger Energiespeicherzelle vorgesehen sein.
Endseitige Energiespeicherzellen sind insbesondere solche, an welche entlang der Richtung gesehen nur eine andere Energiespeicherzelle angrenzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die Energiespeicherzellen zwischen den Abschlusselementen verspannt. Dadurch können diese in vorteilhafter Weise in Position gehalten werden. Geringfügige Ausdehnungen, beispielsweise aufgrund von thermischen Längenveränderungen, sind dabei typischerweise möglich. Die Abschlusselemente können insbesondere mittels der Verbindungselemente gegeneinander verspannt werden. Hierzu können beispielsweise die weiter oben bereits erwähnten elastischen Abschnitte verwendet werden. Dadurch kann ein gewisser Druck auf die Energiespeicherzellen ausgeübt werden, um diese in Position zu halten. Das erste Abschlusselement kann insbesondere als Abschlussplatte ausgebildet sein. Ebenso kann das zweite Abschlusselement als Abschlussplatte ausgebildet sein. Derartige Abschlussplatten können sich beispielsweise über einen Querschnitt der Energiespeicherzellen quer zur bereits weiter oben erwähnten Richtung erstrecken und können somit den elektrischen Energiespeicher in vorteilhafter Weise abschließen.
Die Energiespeicherzellen können insbesondere plastisch und/oder elastisch deformierbar sein. Unter einer plastischen Deformation sei insbesondere eine Deformation verstanden, welche dauerhaft ist und ganz oder zumindest teilweise verbleibt, wenn der Grund hierfür wegfällt. Eine elastische Deformation geht demgegenüber ganz oder zumindest weit überwiegend wieder zurück, wenn der Grund hierfür wegfällt. Eine Deformation kann insbesondere bei der bereits weiter oben erwähnten Gasentwicklung auftreten.
Vorzugsweise kann eine Dehnungsmesseinheit oder können einige oder alle Dehnungsmesseinheiten jeweils mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufweisen. Ein solcher Dehnungsmessstreifen kann insbesondere eine anliegende Spannung aufnehmen, welche sich beispielsweise erhöht, wenn in einer der Energiespeicherzellen eine unerwünschte Gasentwicklung stattfindet und sich diese Energiespeicherzelle deshalb ausdehnt. Dies ist auch dann möglich, wenn in Serie zu einem solchen Dehnungsmessstreifen, oder allgemeiner gesagt in Serie zu einer solchen Dehnungsmesseinheit, einer oder mehrere elastische Abschnitte vorhanden sind. Diese nehmen zwar einen Teil der Spannungsänderung auf, auch die Dehnungsmesseinheit oder deren Dehnungsmessstreifen erhalten jedoch einen gewissen Teil der Spannungsänderung.
Insbesondere kann eine Dehnungsmesseinheit oder können einige oder alle Dehnungsmesseinheiten als Kraftmessdose ausgebildet sein. Dies hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen.
Insbesondere kann eine Dehnungsmesseinheit oder können einige oder alle Dehnungsmesseinheiten zur Messung eines Abstands zwischen dem ersten Abschlusselement und dem zweiten Abschlusselement ausgebildet sein. Insbesondere kann die Veränderung des Abstands basierend auf dem gemessenen Abstand bestimmt werden. Äquivalent dazu kann eine Größe verwendet werden, die mit dem Abstand korrespondiert, beispielsweise eine Dehnung oder eine Spannung. Ein solcher Abstand kann insbesondere als absolute Größe verstanden werden, wobei ein solcher Abstand beispielsweise in einer Einheit wie Zentimeter angegeben werden kann. Eine Veränderung des Abstands kann dann als Änderungsgröße ebenfalls in der Dimension des Abstands angegeben werden, oder sie kann in Form einer Ableitung des Abstands nach der Zeit oder in Form einer Änderung des Abstands mit der Zeit angegeben werden.
Die Verbindungselemente können insbesondere parallel zur Richtung verlaufen. Dies erlaubt eine einfache Ausführung. Insbesondere können die Verbindungselemente parallel zueinander sein. Die Verbindungselemente können insbesondere stangenförmig ausgebildet sein. Auch dies entspricht einer einfachen Ausführung, welche eine einfache Kraftübertragung zwischen den Abschlusselementen ermöglicht.
Der elektrische Energiespeicher kann vorteilhaft eine Auswertungseinheit aufweisen, welche dazu konfiguriert ist, die eine oder mehreren Dehnungsmesseinheiten auszulesen. Eine solche Auswertungseinheit kann insbesondere dazu konfiguriert sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen. Dadurch kann eine Auswertung in den elektrischen Energiespeicher integriert werden.
Die Auswertungseinheit kann beispielsweise zur Durchführung von Spannungs- oder Widerstandsmessungen ausgebildet sein. Die Auswertungseinheit kann auch zu weiteren Auswertungsfunktionalitäten oder Aktionen konfiguriert sein, beispielsweise zur Weitergabe erzeugter Daten, zur Anpassung von Betriebsparametern, zum Abbrechen eines Lade- oder Entladevorgangs oder zur Ausgabe einer Warnung. Insbesondere kann die Auswertungseinheit zur Durchführung eines Verfahrens wie hierin beschrieben konfiguriert sein. Dies kann als Auslesen der Dehnungsmesseinheit verstanden werden.
Die Energiespeicherzellen können insbesondere als elektrochemische Energiespeicherzellen, als Pouch-Zellen und/oder als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sein. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt. Auch für andere Energiespeicherzellen sind die hierin beschriebenen Vorgehensweisen jedoch verwendbar.
Der Energiespeicher kann insbesondere als Stapel oder Verbund der Energiespeicherzellen ausgebildet sein. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn mehrere Energiespeicherzellen vorhanden sind. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung von nur einer Energiespeicherzelle möglich.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines elektrischen Energiespeichers wie hierin beschrieben, wobei bezüglich des elektrischen Energiespeichers auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

- Bestimmen einer Veränderung mindestens eines Abstands zwischen den Abschlusselementen über die Zeit, und
- Erkennen eines Zustands anhand der Veränderung.

Dadurch kann eine Veränderung eines Abstands, welche typischerweise letztlich auf einer Veränderung von mindestens einer der Energiespeicherzellen zurückgeht, in einfacher Weise erkannt werden und es können beispielsweise rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung kritischer Zustände eingeleitet werden. Beispielsweise kann ein Ladevorgang oder eine Stromentnahme aus dem Energiespeicher beendet oder eine zugehörige Leistung reduziert werden. Auch kann eine Warnmeldung ausgegeben werden, welche beispielsweise einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs dazu veranlassen kann, eine Werkstatt aufzusuchen oder den Betrieb des Kraftfahrzeugs bei nächster Gelegenheit einzustellen. Auch im Stand kann eine Warnung ausgegeben werden, da eine Störung nicht nur während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs, sondern auch im Stand entstehen kann. Sie kann mittels der hierin beschriebenen Vorgehensweise auch im Stand detektiert werden.
Die Veränderung kann insbesondere durch eine Spannungsänderung, Widerstandsmessung und/oder mindestens einen Dehnungsmessstreifen erkannt werden. Beispielsweise kann eine über einen Dehnungsmessstreifen abfallende Spannung oder ein dadurch fließender Strom oder ein Widerstand des Dehnungsmessstreifens ausgelesen werden. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige Messung.
Ein Fehlerzustand kann insbesondere erkannt werden, wenn die Veränderung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums absolut mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Schwellenwert. Dies deutet darauf hin, dass es sich nicht nur um eine thermische Ausdehnung handelt, sondern dass eine mögliche kritische Veränderung zumindest einer der Energiespeicherzellen vorliegt.
Insbesondere kann ansprechend auf ein Erkennen eines Fehlerzustands ein Signal zur Steuerung oder Regelung eines Betriebszustands des Energiespeichers erzeugt werden, ein Ladevorgang unterbrochen werden und/oder eine Warnung ausgegeben werden. Dadurch können möglicherweise kritische Zustände wirkungsvoll vermieden werden, da für den Fall, dass sich beispielsweise in einer der Energiespeicherzellen unerwünschterweise Gase bilden, eine weitere Gasbildung und somit mögliche Beschädigungen verhindert werden.
Der elektrische Energiespeicher gemäß einer hierin beschriebenen Ausführung oder einer Kombination solcher Ausführungen kann insbesondere dazu konfiguriert sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Insbesondere kann eine Auswertungseinheit oder eine sonstige Steuerung dazu konfiguriert sein.
Elektrische und insbesondere elektrochemische Energiespeicher, beispielsweise aus Lithium-Ionen-Batterien, werden zukünftig voraussichtlich sowohl mobil, in der Antriebsbatterie beispielsweise von Elektrofahrzeugen, wie auch stationär, beispielsweise zur Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien, verstärkt Verwendung finden. Die hierin beschriebene Vorgehensweise ermöglicht es, die Vorstufen eines kritischen Zellverhaltens frühzeitig und störsicher zu detektieren. Da nur eine sehr geringe Energiequelle notwendig ist, funktioniert die Einrichtung dauerhaft auch bei abgeschalteten, beispielsweise geparkten Fahrzeugen. Bisher wird häufig auf die Detektion erhöhter Temperaturen und von Leistungsparametern zurückgegriffen. Diese unterliegen jedoch größeren Schwankungen, sind in der Regel nur punktuell erfassbar und werden nur im Lade- sowie Fahrmodus bestimmt. Bei stationären Speicheranlagen setzen derzeitige Sicherheitskonzepte zudem in der Regel deutlich später an, d.h. erst bei der Detektion von freigesetzten brennbaren und toxischen Gasen.
Die hierin beschriebene Erfindung ermöglicht es, bereits erste Anzeichen solcher kritischen Zustände frühzeitig zu erkennen und damit potenzielle Gefahrensituationen sicher zu vermeiden. Dies wird ermöglicht, indem am Modul die Kraft bzw. der Weg gemessen wird, was weniger Störgrößen unterworfen und kontinuierlich bei sehr geringer Energiezufuhr messbar ist. Hierfür können beispielsweise Dehnungsmessstreifen verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen:

1: einen elektrischen Energiespeicher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
2: einen elektrischen Energiespeicher gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt rein schematisch einen elektrischen Energiespeicher 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der elektrische Energiespeicher 10 weist mehrere Energiespeicherzellen 20 auf, welche vorliegend als Lithium-Ionen-Batterien in Form von Pouch-Zellen ausgebildet sind. Sie bilden zusammen einen Stapel 25, wobei die Energiespeicherzellen 20 entlang der Hochrichtung von 1 vorliegend unmittelbar aneinander angrenzen. Alternativ können die Energiespeicherzellen 20 auch mittelbar aneinander angrenzen, wobei beispielsweise eine jeweilige Folie zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen 20 vorgesehen sein kann. Entlang dieser Richtung erstreckt sich der Stapel 25. Die Energiespeicherzellen 20 sind durch elektrische Verbinder 22 elektrisch miteinander verbunden.
Obenseitig ist ein erstes Abschlusselement in Form einer ersten Abschlussplatte 30 angebracht. Untenseitig ist ein zweites Abschlusselement in Form einer zweiten Abschlussplatte 35 angebracht. Die erste Abschlussplatte 30 definiert ein erstes Längsende 26 des Stapels 25. Die zweite Abschlussplatte 35 definiert ein zweites Längsende 27 des Stapels 25. Alle Energiespeicherzellen 20 sind somit zwischen den Abschlussplatten 30, 35 angeordnet.
Zwischen den beiden Abschlussplatten 30, 35 verlaufen ein erstes Verbindungselement 41, ein zweites Verbindungselement 42, ein drittes Verbindungselement 43 und ein viertes Verbindungselement 44. Diese sind jeweils an der ersten Abschlussplatte 30 und an der zweiten Abschlussplatte 35 befestigt. Somit definieren sie die Position der Abschlussplatten 30, 35 relativ zueinander. Zudem verspannen sie die Abschlussplatten 30, 35 gegeneinander, wie weiter unten näher beschrieben werden wird.
In dem ersten Verbindungselement 41 ist eine Dehnungsmesseinheit in Form einer Messdose 50 vorgesehen. Darin befindet sich ein Dehnungsmessstreifen 55. Die Messdose 50 ist über das erste Verbindungselement 41 mit den Abschlussplatten 30, 35 verbunden, so dass grundsätzlich eine Änderung des Abstands zwischen den Abschlussplatten 30, 35 mittels der Messdose 50 messbar ist.
Zwischen der Messdose 50 und der ersten Abschlussplatte 30 weist das erste Verbindungselement 41 einen ersten elastischen Abschnitt 61 auf. Zwischen der Messdose 50 und der zweiten Abschlussplatte 35 weist das erste Verbindungselement 41 einen zweiten elastischen Abschnitt 62 auf. Außerhalb der elastischen Abschnitte 61, 62 ist das erste Verbindungselement 41 starr ausgebildet.
Das zweite Verbindungselement 42, das dritte Verbindungselement 43 und das vierte Verbindungselement 44 weisen jeweilige elastische Abschnitte 63 auf. Außerhalb dieser elastischen Abschnitte 63 sind sie starr ausgebildet. Der elastische Abschnitt des vierten Verbindungselements 44 ist dabei in 1 nicht sichtbar.
Die elastischen Abschnitte 61, 62, 63 dienen dazu, eine definierte Spannkraft der Abschlussplatten 30, 35 gegeneinander aufzubringen. Dadurch werden die Energiespeicherzellen 20 gegeneinander verspannt, was deren Position fixiert und zu einer minimalen Ausdehnung führt. Dehnen sich die Energiespeicherzellen 20 aus, beispielsweise aufgrund einer Wärmeausdehnung, kann dies aufgrund der Elastizität leicht kompensiert werden.
Da der erste elastische Abschnitt 61 und der zweite elastische Abschnitt 62 in Reihe mit der Messdose 50 geschaltet sind überträgt sich eine etwaige Abstandsänderung zwischen den Abschlussplatten 30, 35 auch auf die Messdose 50. Sie kann somit auch von dem Dehnungsmessstreifen 55 detektiert werden. Erfolgt also beispielsweise eine unerwünscht hohe Gasentwicklung innerhalb einer der Energiespeicherzellen 20, beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion, dehnt sich die Energiespeicherzelle 20 aus und der Abstand zwischen den Abschlussplatten 30, 35 erhöht sich signifikant. Dies kann mittels des Dehnungsmessstreifens 55 erkannt werden.
Der elektrische Energiespeicher 10 weist ferner eine Auswertungseinheit 12 auf, welche mit der Messdose 50 verbunden ist, so dass eine Widerstandsmessung über den Dehnungsmessstreifen 55 ausgeführt werden kann.
Durch die beschriebene Anordnung kann mittels des Dehnungsmessstreifens 55 eine Verformung von mindestens einer der Energiespeicherzellen 20 erkannt werden. Findet in einer solchen Energiespeicherzelle 20 beispielsweise eine Gasentwicklung statt, so dehnt sich die Energiespeicherzelle 20 entlang der Hochrichtung von 1 aus und führt somit dazu, dass die Abschlussplatten 30, 35 auseinandergedrückt werden. Dies ist aufgrund der bereits beschriebenen Elastizität möglich. Dies wiederum führt zur Ausdehnung des Dehnungsmessstreifens 55 und somit zu einer Widerstandsänderung, welche von der Auswertungseinheit 12 detektiert wird.
In einer beispielhaften Ausführung ist implementiert, dass eine absolute Veränderung der Spannung an der Messdose 50, welche innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, zur Erkennung eines Fehlerzustands führt, woraufhin beispielsweise eine Ladung des elektrischen Energiespeichers 10 unterbrochen werden kann. Außerdem können weitere Vorsichtsmaßnahmen wie beispielsweise eine Anzeige auf einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs ausgelöst werden.
2 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei wird nachfolgend im Wesentlichen lediglich auf die Änderungen zur Ausführung von 1 eingegangen.
Die Auswertungseinheit 12 ist zur Vereinfachung in 2 nicht dargestellt.
Im Gegensatz zur Ausführung von 1 weist der elektrische Energiespeicher 10 gemäß 2 an jedem der Verbindungselemente 41, 42, 43, 44 eine jeweilige Messdose 50 mit Dehnungsmessstreifen 55 auf. Auch die darüber und darunter befindlichen elastischen Abschnitte 61, 62 sind entsprechend wie beim ersten Verbindungselement 41 ausgeführt. Bei dem vierten Verbindungselement 44 ist dies in 2 nicht sichtbar.
Somit hat der Energiespeicher 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel insgesamt vier Dehnungsmesseelemente, welche nicht nur eine einzige Änderung eines Abstands anzeigen, sondern auch eine Veränderung der Orientierung der beiden Abschlussplatten 30, 35 zueinander anzeigen. Wird beispielsweise die zweite Abschlussplatte 35 als Referenz genommen, so kann die erste Abschlussplatte 30 im Vergleich zur zweiten Abschlussplatte 35 verkippt werden, so dass beide Abschlussplatten 30, 35 nicht mehr parallel zueinander sind. Dies ist aufgrund der bereits beschriebenen Elastizität möglich. Eine solche Verkippung kann mittels der Messdosen 50 erkannt werden, wodurch weitere Rückschlüsse auf ein eventuelles Fehlverhalten von einer der Energiespeicherzellen 20 möglich sind.
Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, soweit dies technisch sinnvoll ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.
Bezugszeichenliste

10: Elektrischer Energiespeicher
12: Auswertungseinheit
20: Energiespeicherzellen
25: Stapel
26: erstes Längsende
27: zweites Längsende
30: erste Abschlussplatte / erstes Abschlusselement
35: zweite Abschlussplatte / zweites Abschlusselement
41, 42, 43, 44: Verbindungselemente
50: Messdose / Dehnungsmesseinheit
55: Dehnungsmessstreifen
61, 62, 63: elastische Abschnitte

Claims

Elektrischer Energiespeicher (10), aufweisend - eine Energiespeicherzelle (20) oder mehrere Energiespeicherzellen (20), welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind, - ein erstes Abschlusselement (30) und ein zweites Abschlusselement (35), wobei das erste Abschlusselement (30) an eine erste endseitige Energiespeicherzelle (20) angrenzt und das zweite Abschlusselement (35) an eine zweite endseitige Energiespeicherzelle (20) angrenzt, so dass sich die Energiespeicherzellen (20) zwischen den Abschlusselementen (30, 35) erstrecken, - ein Verbindungselement (41, 42, 43, 44) oder mehrere Verbindungselemente, (41, 42, 43, 44) wobei jedes Verbindungselement (41, 42, 43, 44) das erste Abschlusselement (30) und das zweite Abschlusselement (35) mechanisch miteinander verbinden, und - mindestens eine Dehnungsmesseinheit (50), welche in einem Verbindungselement (41, 42, 43, 44) angeordnet ist, zur Bestimmung einer Veränderung eines Abstands zwischen den Abschlusselementen (30, 35) entlang des jeweiligen Verbindungselements (41, 42, 43, 44).
Elektrischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 1, - welcher zwei, drei oder vier Dehnungsmesseinheiten (50) aufweist, welche in jeweils einem Verbindungselement (41, 42, 43, 44) angeordnet sind.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 1, - welcher nur eine Dehnungsmesseinheit (50) aufweist.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei bei einem Verbindungselement (41, 42, 43, 44), einigen oder allen Verbindungselementen (41, 42, 43, 44) mit Dehnungsmesseinheit (50) zwischen der Dehnungsmesseinheit (50) und dem ersten Abschlusselement (30) ein elastischer Abschnitt (61) ausgebildet ist.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei bei einem Verbindungselement (41, 42, 43, 44), einigen oder allen Verbindungselementen (41, 42, 43, 44) mit Dehnungsmesseinheit (50) zwischen der Dehnungsmesseinheit (50) und dem zweiten Abschlusselement (35) ein elastischer Abschnitt (62) ausgebildet ist.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei bei einem Verbindungselement (41, 42, 43, 44), einigen oder allen Verbindungselementen (41, 42, 43, 44) ohne Dehnungsmesseinheit (50) zwischen dem ersten Abschlusselement (30) und dem zweiten Abschlusselement (35) ein elastischer Abschnitt (63) ausgebildet ist.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, - wobei die Verbindungselemente (41, 42, 43, 44) außerhalb von elastischen Abschnitten (61, 62, 63) und Dehnungsmesseinheiten (50) starr sind.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das erste Abschlusselement (30) unmittelbar an eine endseitige Energiespeicherzelle (20) angrenzt, und/oder - wobei das zweite Abschlusselement (35) unmittelbar an eine endseitige Energiespeicherzelle (20) angrenzt.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Energiespeicherzellen (20) zwischen den Abschlusselementen (30, 35) verspannt sind; und/oder - wobei die Abschlusselemente (30, 35) mittels der Verbindungselemente (41, 42, 43, 44) gegeneinander verspannt sind.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das erste Abschlusselement (30) als Abschlussplatte ausgebildet ist, und/oder - wobei das zweite Abschlusselement (35) als Abschlussplatte ausgebildet ist.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Energiespeicherzellen (20) plastisch und/oder elastisch deformierbar sind.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei eine Dehnungsmesseinheit (50), einige oder alle Dehnungsmesseinheiten (50) jeweils mindestens einen Dehnungsmessstreifen (55) aufweisen.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei eine Dehnungsmesseinheit (50), einige oder alle Dehnungsmesseinheiten (50) als Kraftmessdose ausgebildet sind.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei eine Dehnungsmesseinheit (50), einige oder alle Dehnungsmesseinheiten (50) zur Messung eines Abstands zwischen dem ersten Abschlusselement (30) und dem zweiten Abschlusselement (35) ausgebildet sind, und - wobei die Veränderung des Abstands basierend auf dem gemessenen Abstand bestimmt wird.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Verbindungselemente (41, 42, 43, 44) parallel zur Richtung verlaufen.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Verbindungselemente (41, 42, 43, 44) stangenförmig ausgeführt sind.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Verbindungselemente (41, 42, 43, 44) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - welcher eine Auswertungseinheit (12) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, die eine oder mehrere Dehnungsmesseinheiten (50) auszulesen.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Energiespeicherzellen (20) als elektrochemische Energiespeicherzellen (20), als Pouchzellen und/oder als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sind.
Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Bestimmen einer Veränderung mindestens eines Abstands zwischen den Abschlusselementen (30, 35) über die Zeit, und - Erkennen eines Zustands anhand der Veränderung.
Verfahren nach Anspruch 20, - wobei die Veränderung durch eine Spannungsänderung, Widerstandsmessung und/oder mindestens einen Dehnungsmessstreifen (55) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, - wobei ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn die Veränderung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums absolut mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 22, - wobei ansprechend auf ein Erkennen eines Fehlerzustands ein Signal zur Steuerung oder Regelung eines Betriebszustands des Energiespeichers (10) erzeugt wird, ein Ladevorgang unterbrochen wird und/oder eine Warnung ausgegeben wird.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, - welcher dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23 auszuführen.