DE102022129825B3 - Battery and method for monitoring it - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie mit den folgenden Merkmalen bereit: Von elektrischen Ladungsträgern (10) innerhalb der Batterie gebildete Ströme werden gemessen, indem die Ladungsträger (10) in einem elektrischen Feld (E) vorübergehend gespeichert und gezielt entlassen werden.Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium bereit.The invention provides a method for monitoring a battery with the following features: Currents formed by electrical charge carriers (10) within the battery are measured by temporarily storing the charge carriers (10) in an electric field (E) and releasing them in a targeted manner The invention also provides a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Batterie, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium.The present invention relates to a method for monitoring a battery. The present invention also relates to a corresponding battery, a corresponding computer program and a corresponding machine-readable storage medium.

Aktuelle Lösungen zur Batterieüberwachung beruhen hauptsächlich auf einer Messung der über die zu überwachende Batterie abfallenden Spannung, um Rückschlüsse auf die in der Batterie verbleibende Ladung zu ziehen. Eine wiederholte Messung dieser Spannungen während aufeinanderfolgender Lade- und Entladezyklen gibt Aufschluss über die Ladekapazität und deren zeitliche Degradierung.Current battery monitoring solutions rely primarily on measuring the voltage dropped across the battery being monitored in order to draw conclusions about the charge remaining in the battery. Repeated measurement of these voltages during successive charging and discharging cycles provides information about the charging capacity and its degradation over time.

WO2021151429A2 und JP2022036541A offenbaren jeweils eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) mit Quantensensoren, welche die von der Batterie erzeugten Magnetfelder messen, um daraus die elektrischen Ströme abzuleiten, die durch die Batterie fließen. WO2021151429A2 and JP2022036541A each disclose a high-voltage battery (HV battery) with quantum sensors that measure the magnetic fields generated by the battery in order to derive the electrical currents that flow through the battery.

WO2021219207A1 schlägt vor, elektrische Ströme innerhalb der Lithium-Ionen-Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeuges aus Magnetfeldern abzuleiten, welche anhand des Quantenspins bestimmt werden. WO2021219207A1 proposes deriving electrical currents within the lithium-ion traction battery of a motor vehicle from magnetic fields, which are determined based on the quantum spin.

DE102013226696A1 erörtert ein anderweitiges Verfahren zur Überwachung von Akkumulatoren sowie eine entsprechende Messeinrichtung. DE102013226696A1 discusses another method for monitoring accumulators and a corresponding measuring device.

DE102018111220B3 betrifft eine Atom- oder lonenfalle (ion trap) für Quantensensoren, wie sie zur Messung elektrischer Felder, Kräfte und Rotation genutzt werden. DE102018111220B3 concerns an atom or ion trap for quantum sensors, as used to measure electric fields, forces and rotation.

DE 10 2020 204 571 A1 offenbart ein Verfahren zum Messen von Phasenströmen eines Messobjekts, insbesondere eines Inverters, bei dem eine Sensoranordnung, die einen Baustein aufweist, der ein Kristallgitter mit einem Defekt umfasst, im Bereich des Messobjekts, insbesondere Inverters, angeordnet wird, mit der Sensoranordnung ein Magnetfeld erfasst wird, das durch einen Vektor magnetischer Felder gebildet wird, die wiederum jeweils durch einen der Phasenströme des Messobjekts, insbesondere Inverters, bewirkt werden, und über eine Koeffizienten-Matrix aus dem Vektor der magnetischen Felder ein Vektor der Phasenströme berechnet wird. DE 10 2020 204 571 A1 discloses a method for measuring phase currents of a measurement object, in particular an inverter, in which a sensor arrangement, which has a component that includes a crystal lattice with a defect, is arranged in the area of the measurement object, in particular inverter, with the sensor arrangement a magnetic field is detected , which is formed by a vector of magnetic fields, which in turn are each caused by one of the phase currents of the measurement object, in particular the inverter, and a vector of the phase currents is calculated from the vector of the magnetic fields via a coefficient matrix.

DE 10 2009 042 618 B4 offenbart ein Verfahren, das umfasst, dass eine Batterie bereitgestellt wird, ein erstes Magnetfeld so erzeugt wird, dass ein zweites Magnetfeld in der Batterie induziert wird, ein Magnetfeld erfasst wird, das aus der Interaktion des ersten Magnetfelds und des zweiten Magnetfelds resultiert, und dass das erfasste Netto-Magnetfeld verwendet wird, um den Ladezustand der Batterie zu bestimmen. DE 10 2009 042 618 B4 discloses a method comprising providing a battery, generating a first magnetic field such that a second magnetic field is induced in the battery, detecting a magnetic field resulting from the interaction of the first magnetic field and the second magnetic field, and that the detected net magnetic field is used to determine the state of charge of the battery.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Geschehen im Inneren der Batterie besser beobachten zu können, um etwa Überlastungen einzelner Zellen zu erkennen.One object of the invention is to be able to better observe what is happening inside the battery in order to detect overloads of individual cells.

Die Erfindung stellt vor diesem Hintergrund ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie, eine entsprechende Batterie, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.Against this background, the invention provides a method for monitoring a battery, a corresponding battery, a corresponding computer program and a corresponding storage medium according to the independent claims.

Diesen Ausführungsformen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mittels Quantensensoren die von der Batterie erzeugten Magnetfelder gemessen werden können, woraus sich die elektrischen Ströme ableiten lassen, die durch die Batterie fließen. Diese Fähigkeit wiederum ermöglicht eine präzise Bildgebung (imaging) der Flüsse selbst mikroskopisch kleiner Batterieströme in der Batterie. Geeignete Quantensensoren können somit nicht-invasiv gleich einer „magnetische Kamera“ in das Innere der Batterie blicken.These embodiments are based on the knowledge that the magnetic fields generated by the battery can be measured using quantum sensors, from which the electrical currents that flow through the battery can be derived. This capability, in turn, enables precise imaging of the flows of even microscopic battery currents within the battery. Suitable quantum sensors can therefore look inside the battery non-invasively, like a “magnetic camera”.

In Weiterentwicklung dieses Grundgedankens entstand die erfindungsgemäße Lösung, Sensoren in eine Batterie ein- oder an diese anzubauen, welche - beispielsweise zur Messung der Batterieströme am Prüfstand und im Normalbetrieb einer Traktionsbatterie beim Kunden, oder zur Qualitätsprüfung beim Batteriehersteller oder end of line in der Fahrzeugfertigung - dem Wirkprinzip einer lonenfalle genügen.Further development of this basic idea resulted in the solution according to the invention of installing sensors in or on a battery, which - for example for measuring the battery currents on the test bench and during normal operation of a traction battery at the customer's, or for quality testing at the battery manufacturer or end of line in vehicle production - comply with the operating principle of an ion trap.

Eine derartige Falle nutzt - etwa in der Funktion eines Massenspektrometers - elektromagnetische Felder, um geladene Teilchen für einen längeren Zeitraum in Ruhe im Vakuum zu halten. In aller Regel handelt es sich hierbei um die namensgebenden Ionen, die im Vakuum durch die elektrischen bzw. magnetischen Felder gleichsam gefangen sind.Such a trap uses electromagnetic fields - for example in the function of a mass spectrometer - to keep charged particles at rest in a vacuum for a longer period of time. As a rule, these are the eponymous ions that are trapped in the vacuum by the electric or magnetic fields.

Ein Vorzug dieser Technologie liegt in ihrem fortgeschrittenen Reifegrad (technology readiness level, TRL), welcher bereits einen Versuchsaufbau im Labor (TRL 4) gestattet; geeignete lonenfallen wurden hier bereits zur Batterieüberwachung genutzt.An advantage of this technology is its advanced technology readiness level (TRL), which already allows experimental setup in the laboratory (TRL 4); Suitable ion traps have already been used here for battery monitoring.

Ein weiterer Vorteil liegt in ihrer hohen Empfindlichkeit (sensitivity). So wurde bei der Vermessung eines mit einer Frequenz von etwa 14 MHz oszillierenden Magnetfeldes beispielsweise eine Empfindlichkeit von 4,6 pT Hz

Figure DE102022129825B3_0001
bei einer Ortsauflösung im Nanometerbereich belegt.Another advantage is their high sensitivity. For example, when measuring a magnetic field oscillating at a frequency of approximately 14 MHz, a Sensitivity of 4.6 pT Hz
Figure DE102022129825B3_0001
 with a spatial resolution in the nanometer range.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

  • 1 und 2 zeigen eine Paul-Ionenfalle.
  • 3 zeigt eine Penning-Ionenfalle.
Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.
  • 1 and 2 show a Paul ion trap.
  • 3 shows a Penning ion trap.

Das allgemeine Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Batterie beruht auf der Nutzung einer lonenfalle, also einer Kombination aus elektrischen oder magnetischen Feldern, um geladene Teilchen, insbesondere Ionen, einzufangen, zu speichern und gezielt aus der Falle (trap) zu entlassen.The general functional principle of a battery according to the invention is based on the use of an ion trap, i.e. a combination of electric or magnetic fields, to capture and store charged particles, in particular ions, and release them from the trap in a targeted manner.

Eine Zusammenschau der 1 und 2 illustriert diese Wirkungsweise anhand der aus einer Kombination von statischen und oszillierenden elektrischen Feldern (E) gebildeten Paul-Ionenfalle. Derlei lonenfallen werden häufig als Komponenten eines Massenspektrometers verwendet, wo sie eine Massengenauigkeit von unter 1 ppb ermöglichen, und zunehmend auch bei Studien zur Quantenzustandsmanipulation eingesetzt.A summary of the 1 and 2 illustrates this mode of operation using the Paul ion trap formed from a combination of static and oscillating electric fields (E). Such ion traps are often used as components of a mass spectrometer, where they enable mass accuracy below 1 ppb, and are increasingly used in quantum state manipulation studies.

Die lonenfalle umfasst hier zwei elektrisch verbundene Endkappenelektroden (a) mit paralleler, abbildungsgemäß waagerechter Grundfläche, die zu beiden Seiten einer in ihrer Mittelebene angeordneten Ringelektrode (b) angebracht sind. Zwischen Endkappenelektroden (a) einerseits und Ringelektrode (b) andererseits wird eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, welche im Inneren der Falle ein elektrisches Quadrupolfeld (E) erzeugt. Auf die zu speichernden Ladungsträger (10), welche die Batterieströme bilden, wird auf diese Weise eine periodisch wechselnde Kraft (FE) ausgeübt, wie im Folgenden am Beispiel einer positiven (+) Ladung erläutert sei.The ion trap here comprises two electrically connected end cap electrodes (a) with a parallel, horizontal base surface as shown, which are attached to both sides of a ring electrode (b) arranged in its central plane. A high-frequency alternating voltage is applied between the end cap electrodes (a) on the one hand and the ring electrode (b) on the other, which generates an electric quadrupole field (E) inside the trap. In this way, a periodically changing force ( FE ) is exerted on the charge carriers (10) to be stored, which form the battery currents, as will be explained below using the example of a positive (+) charge.

In der in 1 dargestellten ersten Phase jeder Periode wirkt die beidseitig durch die Endkappenelektroden (a) ausgeübte Kraft (FE) hierbei in Richtung der Ring- oder Mittelebene, während die solchermaßen - abbildungsgemäß horizontal - fokussierten Ladungsträger (10) gleichmäßig von der Ringelektrode (b) angezogen werden. Jeder positive (+) Ladungsträger strebt somit vom positiven (+) zum negativen (-) Pol. Sobald sich ein Ladungsträger zu stark in eine Richtung bewegt, kommt es zur Berührung mit einer Elektrode (a, b).In the in 1 In the first phase of each period shown, the force ( FE ) exerted on both sides by the end cap electrodes (a) acts in the direction of the ring or central plane, while the charge carriers (10) focused in this way - horizontally as shown in the illustration - are evenly attracted to the ring electrode (b). . Every positive (+) charge carrier therefore tends from the positive (+) to the negative (-) pole. As soon as a charge carrier moves too strongly in one direction, it comes into contact with an electrode (a, b).

Um dieser Berührung zuvorzukommen, werden die Elektroden (a, b) in die Konfiguration gemäß 2 umgepolt (fachsprachlich: „umgeswitcht“), sodass sich das Feld (E) umkehrt und die Kraft (FE) in einer zweiten Phase die Ladungsträger (10) senkrecht zur Mittelebene - abbildungsgemäß vertikal - fokussiert. Dieser Phasenwechsel wird hochfrequent wiederholt, sodass das derart oszillierende Feld (E) die Teilchenwolke bis zum Entlassen der Ladungsträger (10) periodisch verzerrt.To prevent this contact, the electrodes (a, b) are configured according to 2 reversed (in technical terms: “switched”), so that the field (E) is reversed and the force ( FE ) in a second phase focuses the charge carriers (10) perpendicular to the central plane - vertically, as shown in the illustration. This phase change is repeated at high frequency, so that the field (E) oscillating in this way periodically distorts the particle cloud until the charge carriers (10) are released.

Alternativ kommt die Nutzung einer Paul-Ionenfalle gemäß 3 in Betracht, wie sie auch bei präzisen magnetischen Messungen in der Spektroskopie eingesetzt wird. Das von den Elektroden (a, b) erzeugte Feld (E) ist hier statischer Natur, wird jedoch um ein homogenes, zur Mittelebene senkrechtes Magnetfeld (im Folgenden vereinfachend durch seine magnetische Flussdichte B bezeichnet) ergänzt. Während das elektrostatische Feld (E) die zu speichernden Ladungsträger (10) in ihrer axialen Bewegung (11) zwischen den Endkappenelektroden (a) somit dauerhaft einschränkt, vollführen sie unter der Wirkung der Lorentzkraft gleichwohl eine oszillierende Kreisbewegung in der Mittelebene. Die exakte Bewegungsbahn ergibt sich dabei aus einer kinetischen Überlagerung der solchermaßen begrenzten axialen Bewegung (11) mit der langsameren Magnetronbewegung (12) in der Mittelebene sowie einer schnellen Zyklotronbewegung (13) um die Magnetfeldlinien, deren Frequenz hier jedoch durch das elektrostatische Quadrupolfeld (E) gemindert wird.Alternatively, you can use a Paul ion trap 3 into consideration, as it is also used for precise magnetic measurements in spectroscopy. The field (E) generated by the electrodes (a, b) is static in nature here, but is supplemented by a homogeneous magnetic field perpendicular to the central plane (hereinafter simply referred to by its magnetic flux density B). While the electrostatic field (E) permanently restricts the charge carriers (10) to be stored in their axial movement (11) between the end cap electrodes (a), they nevertheless perform an oscillating circular movement in the central plane under the effect of the Lorentz force. The exact movement path results from a kinetic superposition of the limited axial movement (11) with the slower magnetron movement (12) in the central plane and a fast cyclotron movement (13) around the magnetic field lines, the frequency of which is here determined by the electrostatic quadrupole field (E). is reduced.

Claims (10)

Verfahren zum Überwachen einer Batterie, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - von elektrischen Ladungsträgern (10) innerhalb der Batterie gebildete Ströme werden gemessen, indem die Ladungsträger (10) in einem elektrischen Feld (E) vorübergehend gespeichert und gezielt entlassen werden.Method for monitoring a battery, characterized by the following feature: - Currents formed by electrical charge carriers (10) within the battery are measured by temporarily storing the charge carriers (10) in an electric field (E) and releasing them in a targeted manner. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Feld (E) wird mittels zweier äquipotentialer, beiderseits einer Mittelebene angeordneter Endkappenelektroden (a) und einer in der Mittelebene angeordneten Ringelektrode (b) erzeugt.Procedure according to Claim 1 , characterized by the following feature: - the field (E) is generated by means of two equipotential end cap electrodes (a) arranged on both sides of a central plane and a ring electrode (b) arranged in the central plane. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Endkappenelektroden (a) üben beidseitig eine zur Mittelebene gerichtete Kraft (FE) auf die zu speichernden Ladungsträger (10) aus, während diese gleichmäßig von der Ringelektrode (b) angezogen werden, - die Elektroden (a, b) werden umgepolt, sodass sich das Feld (E) umkehrt und die Kraft (FE) die Ladungsträger (10) senkrecht zur Mittelebene fokussiert und - das Umpolen wird zum Speichern der Ladungsträger (10) hochfrequent wiederholt, sodass das Feld (E) bis zum Entlassen der Ladungsträger (10) oszilliert.Procedure according to Claim 2 , characterized by the following features: - the end cap electrodes (a) exert on both sides a force ( FE ) directed towards the center plane on the charge carriers (10) to be stored, while these are uniformly attracted to the ring electrode (b), - the electrodes (a , b) are reversed so that the field (E) is reversed and the force (FE ) focuses the charge carriers (10) perpendicular to the central plane sized and - the polarity reversal is repeated at high frequency to store the charge carriers (10), so that the field (E) oscillates until the charge carriers (10) are released. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das von den Elektroden (a, b) erzeugte Feld (E) ist elektrostatisch, sodass eine axiale Bewegung (11) der zu speichernden Ladungsträger (10) zwischen den Endkappenelektroden (a) eingeschränkt wird und - ferner wird ein zur Mittelebene senkrechtes Magnetfeld (B) erzeugt, sodass die Ladungsträger (10) eine Magnetronbewegung (12) in der Mittelebene vollführen, welche von einer durch das elektrostatische Feld (E) reduzierten Zyklotronbewegung (13) überlagert wird.Procedure according to Claim 2 , characterized by the following features: - the field (E) generated by the electrodes (a, b) is electrostatic, so that an axial movement (11) of the charge carriers (10) to be stored between the end cap electrodes (a) is restricted and - further a magnetic field (B) perpendicular to the central plane is generated, so that the charge carriers (10) carry out a magnetron movement (12) in the central plane, which is superimposed by a cyclotron movement (13) reduced by the electrostatic field (E). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - die Ladungsträger (10) umfassen Ionen oder - die Ladungsträger (10) umfassen stabil geladene subatomare Teilchen.Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , characterized by at least one of the following features: - the charge carriers (10) include ions or - the charge carriers (10) include stably charged subatomic particles. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - das Messen der Ströme erfolgt auf einem Prüfstand oder - das Messen der Ströme erfolgt in einem mittels der Batterie angetriebenen Kraftfahrzeug.Procedure according to one of the Claims 1 until 5 , characterized by at least one of the following features: - the currents are measured on a test stand or - the currents are measured in a motor vehicle powered by the battery. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet mindestens eines der folgenden Merkmale: - anhand der gemessenen Ströme wird ein Ladezustand der Batterie untersucht, - anhand der gemessenen Ströme wird ein Alterungszustand der Batterie untersucht oder - anhand der gemessenen Ströme wird eine Lastverteilung innerhalb der Batterie optimiert.Procedure according to one of the Claims 1 until 6 , characterized at least one of the following features: - a state of charge of the battery is examined based on the measured currents, - an aging state of the battery is examined based on the measured currents or - a load distribution within the battery is optimized based on the measured currents. Batterie, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Batterie weist eine lonenfalle auf und - die lonenfalle ist dazu eingerichtet, die Batterie in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zu überwachen.Battery, characterized by the following features: - the battery has an ion trap and - the ion trap is designed to trap the battery in a method according to one of the Claims 1 until 7 to monitor. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.Computer program that is set up to carry out all steps of a procedure according to one of the Claims 1 until 7 to carry out. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.Machine-readable storage medium with a computer program stored on it Claim 9 .
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