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Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In den, in einem Zellmodul eines Fahrzeug-Batteriesystems verbauten Lithium-Ionen-Zellen kann aufgrund eines internen Zelldefekts ein thermischer Event zum Beispiel in Folge eines lokalen Kurzschlusses zwischen Elektroden einer Batteriezelle auftreten. Ein solcher thermischer Event kann zu einem thermischen Durchgehen, das heißt Thermal Runaway, führen. In diesem Fall führt der Umsatz von, in der havarierenden Batteriezelle elektrochemisch und chemisch gespeicherten Energie zu einer Erhitzung sowie zu weiteren lokalen Kurzschlüssen in den benachbarten Zellen. Dadurch können sich entsprechende Reaktionen in den benachbarten Zellen kaskadenförmig fortsetzen, was als Thermal Propagation bezeichnet wird.
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Ein gattungsgemäßes Hochvolt-Batteriesystem weist zumindest ein Zellmodul oder Zellstack auf, das aus einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut ist. Diese sind unter mechanischer Vorspannung in einem Zellmodulgehäuse verbaut. In Folge von Zellinnendruck-Änderungen variiert das Zellvolumen der havarierenden Batteriezelle und entsprechend die mechanische Vorspannung in Abhängigkeit von Batterie-Betriebszuständen. Zudem weist das gattungsgemäße Hochvolt-Batteriesystem eine Warneinrichtung zur Früherkennung eines thermischen Events in den Batteriezellen auf.
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In einer aus dem Stand der Technik bekannten Warneinrichtung wird der thermische Event durch eine Kombination von Spannungs- und Temperatursignalen detektiert. Zudem ist bekannt, Gasdruck- oder Gasanalysesensoren im Batteriesystem für die Detektion des thermischen Events einzusetzen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Warneinrichtungen ist die Detektion des thermischen Events abhängig von der jeweiligen Sensorik und Datenanalyse erst möglich, wenn das Event bereits weit fortgeschritten ist. Ein signifikanter Spannungseinbruch oder ein Druckanstieg im Batteriesystem verbunden mit Reaktionsgasen treten in der Regel nämlich erst dann auf, wenn die havarierende Lithium-Ionen-Zelle bereits geöffnet ist und ausgast. Ein messbarer Temperaturanstieg ist in der Regel nur dann zuverlässig detektierbar, wenn die Sensorik thermisch nahe im Bereich der havarierende Zelle positioniert ist. Da in der Praxis nach Stand der Technik nicht jede Zelle mit einem diskreten Temperatursensor überwacht wird, kann ein erheblicher Temperaturshift zwischen havarierender Zelle und Messtelle auftreten und so die Auslösung der Warnfunktion zeitlich stark verzögern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochvolt-Batteriesystem mit einer Warneinrichtung bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik zu einem früheren Zeitpunkt ein thermisches Event in den Batteriezellen detektiert.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem Zellmodul (nachfolgend allgemein als Zellverband oder Zellstack bezeichnet) aus, das aus einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut ist. Diese sind unter mechanischer Vorspannung in einem Zellmodul- oder Zellstackgehäuse verbaut. In Folge von Zellinnendruck-Änderungen, die charakteristisch für einen sich entwickelnden Thermal Runaway sind, variiert das Zellvolumen der havarierenden Batteriezelle und übt dadurch eine Kraft auf die Zellaußenwände aus. Die Kraftkomponente auf die Berührungsflächen der Zellen im Zellmodul oder Zellstack wirkt sich direkt auf die mechanische Vorspannung in Abhängigkeit von diversen Batterie-Betriebszuständen aus. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist das Hochvolt-Batteriesystem eine Warneinrichtung zur Früherkennung eines thermischen Events auf, die mit zumindest einem Kraftmesssensor arbeitet. Mit Hilfe des Kraftmesssensors wird die mechanische Vorspannung erfasst. Auf der Grundlage der erfassten mechanischen Vorspannung erfolgt in der Warneinrichtung eine Detektion eines thermischen Events. Mittels der erfindungsgemäßen Warneinrichtung kann der thermische Event bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt detektiert werden, und zwar noch bevor es zu einer thermisch bedingten Öffnung und Ausgasung der havarierten Batteriezelle kommt.
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Die Erfindung beschreibt somit allgemein eine Möglichkeit zur frühzeitigen Erkennung des thermischen Events durch den Einsatz von außerhalb der Zelle eingesetzten Kraftmesssystemen. Technischer Hintergrund ist dabei, dass bereits vor einem thermischen Event in den gasdicht eingehausten Zellen (Pouchfolien oder prismatische Zellbecher) aufgrund des internen Temperaturanstiegs eine Zersetzung von Aktivmaterialien, vorrangig Elektrolytlösung, stattfindet. Der dadurch ansteigende Innendruck erhöht sich dabei signifikant, und zwar bereits vor dem eigentlichen thermischen Durchgehen mit Ausgasen der Zelle.
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Aufgrund des Aufbaus der Zellen (Pouchfolien oder prismatische Zellbecher) übt der interne Druckanstieg im konstruktionsbedingten Aufbau von gegeneinander verspannten Zellen in einem Zellmodul oder Zellstack über die Fläche A eine Kraft (F = P * A) auf die Nachbarzellen oder die äußeren konstruktionsbedingten Spannplatten aus.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist es, diese Kraft bevorzugt permanent zu messen. Dabei können allgemein zwei Messprinzipien angewendet werden: Zum einen eine Messung der Dehnung an den konstruktionsbedingten Spannbändern des Zellmoduls oder Zellstacks, zum Beispiel Dehnungsmessstreifen; zum anderen eine Messung der Kompression zwischen den Zellen und den Spannplatten, zum Beispiel Piezo-Elemente oder elektromechanische Kontakte mit definierter Kraftcharakteristik.
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Für die Nutzung von Kraftsignalen als Früherkennung eines thermischen Events ist es bevorzugt, wenn ein differenzieller Funktionsalgorithmus bei der Signalauswertung umgesetzt wird, der die für Li-Ionen Zellen typischen Ausdehnungen über Lebenszeit (Zellswelling), aber auch zyklische Druckeffekte wie Ausdehnung über Lade- und Entladezyklen sowie Schwankungen über den normalen Betriebstemperaturbereich kompensiert.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind nachfolgend stichpunktartig aufgelistet: Kraftmessung als Dehnung oder Kompression zur Erkennung von auffälligen Druckanstiegen als Früherkennung eines thermischen Events in Li-Ionen Zellen; Detektion des thermischen Events über Kraftsensoren; Kompensation von zyklischem Zellwachstum; Kompensation von kalendarischem Zellwachstum.
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Die Kraftmessung in einem Zellverband (Zellmodul oder Zellstack) kann als Druck- oder Zugkraft-Messung realisiert sein. Da die zu erwartenden Kräfte innerhalb des Zellverbands aufgrund der Flexibilität der Zellgehäuse an jedem beliebigen Punkt auftreten, wird nur eine Kraftmessung innerhalb des Zellverbands erforderlich sein, und zwar vorzugweise mittig auf der Seitenfläche der Zellen, da hier Störeinflüsse von Gehäusebauteilen am geringsten sind.
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Bei der Integration eines Druckkraft-Sensors wird der für den benötigten Bauraum des Sensors zwischen den Zellen eine kompressible Maske (flexible Zwischenlagen mit definierter Kraft-Weg-Charakteristik, zum Beispiel Elastomer-Pads) mit entsprechender Aussparung genutzt, die eine homogene Kraftverteilung über die gesamte Fläche erlaubt und so lokale Druckspitzen im Normalbetrieb vermeidet.
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Die indirekte Messung des Zellinnendrucks über eine geeignete Kraftmessung ermöglicht eine frühzeitige Erkennung von Zelldefekten, die zum thermischen Event führen. Grundsätzlich gilt dabei: Je früher der thermische Event detektiert wird und eine entsprechende Diagnoseersatzreaktion erfolgt (Warnung an Fahrzeugnutzer, Reduzierung der Stromfreigaben im Betrieb, Aktivierung von zusätzlichen Schutzmaßnahmen), umso weniger müssen passive Robustheitsmaßnahmen umgesetzt werden.
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Nachfolgend sind Erfindungsaspekte im Einzelnen hervorgehoben: So kann der Kraftmesssensor im Hinblick auf eine einwandfreie Detektion die mechanische Vorspannung über die Batterie-Betriebsdauer durchgängig, das heißt permanent, erfassen.
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In einer technischen Umsetzung kann die Warneinrichtung eine Auswerteeinheit aufweisen, in der die erfasste mechanische Vorspannung mit einem, in der Auswerteeinheit hinterlegten Referenzwert vergleichbar ist. Sofern die erfasste mechanische Vorspannung signifikant größer ist als der Referenzwert, detektiert die Auswerteeinheit das Vorliegen eines thermischen Events.
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Im Hinblick auf eine prozesssichere Detektion des thermischen Events ist es bevorzugt, wenn der Referenzwert nicht als eine feste Größe hinterlegt ist, die unabhängig von diversen Batterie-Betriebszuständen unverändert bleibt. Vielmehr kann erfindungsgemäß der Referenzwert im Rahmen eines Kompensationsverfahrens in einem Zellmodul-Modellbildner ermittelt werden, in dem der Referenzwert in Abhängigkeit von aktuellen Betriebsparametern stets angepasst wird. Beispielhaft kann in dem Zellmodul-Modellbildner der Referenzwert auf der Grundlage der Batterie-Lebensdauer, das heißt der Anzahl der bereits erfolgten Ladezyklen, auf der Grundlage des aktuellen Batterie-Ladezustands und/oder auf der Grundlage der aktuellen Batterie-Betriebstemperatur ermittelt werden.
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Die Bestimmung des Referenzwerts ist nicht auf das oben angedeutete Kompensationsverfahren beschränkt. Vielmehr kann der Referenzwert der aktuellen Zellverspannungskraft in beliebiger anderer Weise bestimmt werden. Entscheidend ist dabei, dass bei der Bestimmung des Referenzwerts andere Druckeffekte herausgerechnet werden. Beispielhaft besteht eine weitere Möglichkeit darin, die betriebszustandsabhängigen Kraftverhältnisse im Normalbetrieb als quasi unauffällige Referenzwerte einzubeziehen. Dies ist durch einen kontinuierlichen Vergleich der Kräfte zwischen den einzelnen Zellverbänden möglich. Mit anderen Worten: Eine Abweichung der jeweiligen zustandsabhängigen Kraftverläufe von einem Zellverband von den anderen deutet auf eine zusätzliche Kraftkomponente, hier durch Druckanstieg aufgrund des Thermal Runaways einer Zelle. Eine weitere Möglichkeit, die Kraftverhältnisse richtig zuzuordnen, kann aus dem zeitlichen Verlauf des Druckanstiegs abgeleitet werden. Der kontinuierliche Druckanstieg über Swelling ist ein sehr langsamer Prozess. Dagegen folgt der Druckanstieg über Temperatur und Ladezustand einem festen Muster oder Kennfeld.
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In einer technischen Realisierung können die Batteriezellen als prismatische Zellen oder als Pouchzellen bereitgestellt sein. Die Batteriezellen können in einem Zellmodulgehäuse zu einem Zellstapel zusammengefasst sein. In diesem Fall wirkt die mechanische Vorspannung in Stapelrichtung zwischen dem Zellmodulgehäuse und dem Zellstapel.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann der Kraftmesssensor als ein Dehnungsmessstreifen am Zellmodulgehäuse positioniert sein. Beispielhaft kann der Dehnungsmessstreifen an, in Stapelrichtung verlaufenden seitlichen Spannwänden des Zellmodulgehäuses angeordnet sein. Mit Hilfe des Dehnungsmessstreifens kann eine mit der mechanischen Vorspannung korrelierende Zugkraft erfasst werden.
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Alternativ dazu kann in einer zweiten Ausführungsvariante der Kraftmesssensor ein Drucksensor sein. Dieser kann im Zellstapel zwischen benachbarten Batteriezellen oder zwischen einer, in Stapelrichtung stirnseitigen Batteriezelle und einer angrenzenden Stirnplatte des Zellmodulgehäuses angeordnet sein. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Drucksensor in der Stapelrichtung mittig im Zellstapel positioniert ist.
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In einer weiteren technischen Umsetzung kann zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten Batteriezellen eine flexible Zwischenlage, das heißt ein Kompressionspad, angeordnet sein, mittels dem Schwankungen in der mechanischen Vorspannung ausgleichbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Kraftmesssensor in der flexiblen Zwischenlage integriert sein. Im Falle eines thermischen Events erfolgt eine maximale Zell-Durchbiegung in der Zellmitte, das heißt entlang einer Zellmodul-Mittellängsachse. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn in der flexiblen Zwischenlage in etwa mittig eine in Stapelrichtung offene, fensterartige Aussparung ausgebildet ist, in der der Kraftmesssensor positionierbar ist. Der Kraftmesssensor ist daher so positioniert, dass im Falle eines thermischen Events frühzeitig eine Änderung in der mechanischen Vorspannung erfassbar ist. Die mechanischen Eigenschaften der Zwischenlage (wie Shore-Härte) können dazu auch so gewählt werden, dass in den normalen Betriebszuständen über Lebenszeit kein Drucksignal ausgelöst wird.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Darstellung ein Hochvolt-Batteriesystem;
- 2 bis 11 unterschiedliche Darstellungen eines in dem Hochvolt-Batteriesystem verbauten Zellmoduls.
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In der 1 ist ein Hochvolt-Batteriesystem eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs gezeigt. Innerhalb des Batteriegehäuses 1 des Hochvolt-Batteriesystems sind mehrere Zellmodule verbaut, von denen in den folgenden Figuren jeweils einen Zellverband 3 beziehungsweise ein Zellmodul in unterschiedlichen Varianten dargestellt ist. Gemäß der 2 oder 3 besteht jedes der Zellmodule 3 aus einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen 5, die in einem Zellmodulgehäuse 7 zu einem Zellstapel 9 zusammengefasst sind.
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In der 2 ist der Zellstapel 9 des Zellmoduls 3 schematisch sowie ohne Zellmodulgehäuse 7 dargestellt. Demzufolge sind die Batteriezellen 5 als prismatische Zellen realisiert, die unter mechanischer Vorspannung F in dem Zellmodulgehäuse 7 (3) verbaut sind, das somit als eine Zellverspannungsvorrichtung wirkt. Die mechanische Vorspannung F wirkt gemäß der 2 in der Stapelrichtung zwischen dem Zellmodulgehäuse 7 und dem Zellstapel 9. Wie aus der 3 weiter hervorgeht, weist das Zellmodulgehäuse 7 zwei in Stapelrichtung verlaufende seitliche Spannwände 11 auf, die jeweils an, in Stapelrichtung gegenüberliegenden Stirnplatten 13 angebunden sind. Die mechanische Vorspannung F wird daher von den beiden Stirnplatten 13 auf den zwischengeordneten Zellstapel 9 ausgeübt.
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Gemäß der 2 ist in der Stapelrichtung betrachtet mittig im Zellstapel 9 ein Kraftmesssensor 15 angeordnet. Der Kraftmesssensor 15 erfasst in den 2 bis 7 zwischen benachbarten Zellen 5 eine Druckkraft, die mit der mechanischen Vorspannung F korreliert. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf den Einsatz des Kraftmesssensors 15 beschränkt ist. Alternativ dazu kann jegliche andere Art von Drucksensor oder Wegsensor eingesetzt werden. Sowohl ein Kraft-, ein Druck- als auch ein Wegsensor können die notwendige Information für einen Thermal Runaway liefern.
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In der 2 ist der Kraftmesssensor 15 Bestandteil einer Warneinrichtung 17, die auf der Grundlage eines vom Kraftmesssensor 15 erfassten zeitlichen Verlaufs der mechanischen Vorspannung F frühzeitig einen thermischen Event in einer der Batteriezellen 5 detektieren kann. Hierzu weist die Warneinrichtung 17 eine Auswerteeinheit 19 auf, in der eine vom Kraftmesssensor 15 erfasste aktuelle Druckkraft Fist mit einem, in der Auswerteeinheit 19 hinterlegten Referenzwert Fsoll verglichen wird. Sofern die erfasste Druckkraft Fist signifikant größer ist als der Referenzwert Fsoll, detektiert die Auswerteeinheit 19 das Vorliegen eines thermischen Events (4). Gemäß der 4 befindet sich die havarierende Batteriezelle 21 noch zu Beginn des thermischen Events, bei dem noch keine thermisch bedingte Öffnung sowie Ausgasung aus der havarierenden Batteriezelle 21 erfolgt ist.
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Im Falle eines solchen thermischen Events steigt das Zellvolumen beziehungsweise der Zellinnendruck pl (2a) der havarierenden Batteriezelle 21 im Vergleich zu normalen Batterie-Betriebszuständen übermäßig an. Der Kraftmesssensor 15 detektiert somit eine Druckkraft Fist, die größer als der in der Auswerteeinheit 19 hinterlegte Referenzwert Fsoll ist. In diesem Fall erzeugt die Auswerteeinheit 19 ein entsprechendes Warnsignal.
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Wie aus der 2 weiter hervorgeht, weist die Warneinrichtung 17 einen Zellmodul-Modellbildner 23 auf, in dem der Referenzwert Fsoll in Abhängigkeit von Batterie-Parametern in einem Kompensationsverfahren ermittelbar ist. Hierzu ist der Signaleingang des Zellmodul-Bildners 23 mit insgesamt drei Datenbanken 25, 27, 29 in Signalverbindung. In der ersten Datenbank 25 ist die Änderung des Zellinnendruckes pl einer Batteriezelle 5 des Zellstapels 9 in Abhängigkeit von der Batterie-Lebensdauer, das heißt die Anzahl der bereits erfolgten Ladezyklen, tabellarisch hinterlegt ist. In der zweiten Datenbank 27 ist die Änderung des Zellinnendruckes pl in Abhängigkeit vom aktuellen Batterie-Ladezustand tabellarisch hinterlegt, während in der dritten Datenbank 29 die Änderung des Zellinnendruckes pl in Abhängigkeit von der aktuellen Batterie-Betriebstemperatur tabellarisch hinterlegt ist.
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Das oben angedeutete Kompensationsverfahren dient der Robustheitssteigerung zur Vermeidung von Fehlinterpretationen des Drucksignals. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf das in der 2 angedeutete Kompensationsverfahren beschränkt ist.
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Entscheidend ist lediglich, dass bei der Bestimmung des Referenzwerts andere Druckeffekte herausgerechnet werden.
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Alternativ zu dem in der 2 angedeuteten Kompensationsverfahren besteht eine weitere Möglichkeit darin, die betriebszustandsabhängigen Kraftverhältnisse im Normalbetrieb als quasi unauffällige Referenzwerte einzubeziehen. Dies ist durch einen kontinuierlichen Vergleich der Kräfte zwischen den einzelnen Zellverbänden möglich. In diesem Fall deutet eine Abweichung der jeweiligen zustandsabhängigen Kraftverläufe von einem Zellverband auf einen anderen Zellverband auf eine zusätzliche Kraftkomponente, etwa durch Druckanstieg aufgrund des Thermal Runaways einer Zelle. Eine weitere Möglichkeit, die Kraftverhältnisse richtig zuzuordnen, kann aus dem zeitlichen Verlauf des Druckanstiegs abgeleitet werden. Der kontinuierliche Druckanstieg über Swelling ist ein sehr langsamer Prozess. Dagegen folgt der Druckanstieg über Temperatur und Ladezustand einem festen Muster oder Kennfeld.
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In den Datenbanken 25, 27, 29 werden anhand der aktuellen Batterie-Lebensdauer, des aktuellen Ladezustands und der aktuellen Betriebstemperatur Kompensier-Faktoren k1, k2, k3 ausgelesen. Auf der Grundlage der Kompensier-Faktoren k1, k2, k3 wird im Zellmodul-Modellbildner 23 der Referenzwert Fsoll bestimmt.
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Gemäß der 2 ist der Kraftmesssensor 15 in einer flexiblen Zwischenlage 31, das heißt Kompressionspad, angeordnet. Der Kraftmesssensor 15 liegt dabei unmittelbar auf einer Zellmodul-Mittellängsachse A (3), entlang der sich im thermischen Event (4) eine maximale Zell-Durchbiegung einstellt. In der 2 weist die flexible Zwischenlage 31 eine in Stapelrichtung offene, fensterartige Aussparung 33 auf, in der der Kraftmesssensor 15 positioniert ist.
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In den 5 bis 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, dessen Aufbau und Funktionsweise dem Ausführungsbeispiel der 2 bis 4 entspricht. Im Gegensatz zu den 2 bis 4 sind in den 5 bis 7 keine prismatischen Zellen, sondern Pouchzellen 5 im Zellmodulgehäuse 7 verbaut.
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In den 8 und 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Demzufolge ist der Kraftmesssensor 15 nicht mehr als Drucksensor realisiert, sondern vielmehr als ein Dehnungsmessstreifen. Dieser ist an einer, in Stapelrichtung verlaufenden seitlichen Spannwand 11 des Zellmodulgehäuses 7 positioniert. Mit Hilfe des Dehnungsmessstreifens wird eine mit der mechanischen Vorspannung F korrelierende Zugkraft erfasst.
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Die gleiche Ausführungsvariante ist auch in den 10 und 11 gezeigt, in der im Zellmodulgehäuse 7 anstelle der prismatischen Batteriezellen Pouchzellen 5 gestapelt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriegehäuse
- 3
- Zellverband, Zellmodul, Zellstack
- 5
- Batteriezelle
- 7
- Zellmodulgehäuse
- 9
- Zellstapel
- 11
- Spannwände
- 13
- Stirnplatten
- 15
- Kraftmesssensor
- 17
- Warneinrichtung
- 19
- Auswerteeinheit
- 21
- havarierte Batteriezelle
- 23
- Zellmodul-Modellbildner
- 25, 27, 29
- Datenbank
- 31
- flexible Zwischenlage
- 33
- fensterartige Aussparung
- F
- mechanische Vorspannung
- A
- Zellmodul-Mittellängsachse
- pl
- Zellinnendruck
- Fist
- aktuell erfasste mechanische Vorspannung
- Fsoll
- Referenzwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018209324 A1 [0005]
- DE 102010038860 A1 [0005]
