EP2422399A1 - Verfahren zum betrieb einer batterie - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer batterie

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EP2422399A1
EP2422399A1 EP10718072A EP10718072A EP2422399A1 EP 2422399 A1 EP2422399 A1 EP 2422399A1 EP 10718072 A EP10718072 A EP 10718072A EP 10718072 A EP10718072 A EP 10718072A EP 2422399 A1 EP2422399 A1 EP 2422399A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
galvanic cell
battery
electrode stack
test result
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10718072A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schaefer
Andreas Gutsch
Claus-Rupert Hohenthanner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Li Tec Battery GmbH filed Critical Li Tec Battery GmbH
Publication of EP2422399A1 publication Critical patent/EP2422399A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4285—Testing apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/10—Different kinds of radiation or particles
    • G01N2223/101—Different kinds of radiation or particles electromagnetic radiation
    • G01N2223/1016—X-ray
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method of operating a battery.
  • the invention will be described in the context of lithium-ion batteries for the supply of motor vehicle drives. It should be noted that the invention can also be used independently of the chemistry of the battery, its design or regardless of the type of powered drive.
  • Batteries with a plurality of galvanic cells for supplying motor vehicle drives are known from the prior art. Some types have in common that they release the stored energy under certain circumstances uncontrolled, especially after a minimum period of operation.
  • the invention is therefore based on the object to maintain the reliability of a battery even after a minimum period of operation largely.
  • the underlying object is achieved by a method for operating a battery having at least one galvanic cell.
  • the at least one galvanic cell is at least temporarily subjected to an examination, in particular in a predetermined operating state of the battery or the galvanic cell.
  • the investigation of the at least one galvanic cell is done with a nondestructive testing method, whereby at least one test result is provided.
  • the at least one test result is then linked to at least one first comparison value.
  • a battery with a device with at least one galvanic cell and to supply a drive to understand Preferably, the battery has a plurality of galvanic cells, which are electrically interconnected. Preferably, the battery has other facilities that support the proper operation of the at least one galvanic cell. Depending on the design of the at least one galvanic cell, the battery is rechargeable. One speaks then of an accumulator or a secondary battery.
  • a galvanic cell means a device which also serves to deliver electrical energy.
  • the galvanic cell stores the energy in chemical form. Before giving off an electric current, the chemical energy is converted. Under certain circumstances, the galvanic cell is also suitable for receiving electrical energy, convert it into chemical energy and store it.
  • the galvanic cell has at least two electrodes of different polarity, i. an anode and a cathode, and an electrolyte.
  • the galvanic cell further comprises a separator which electrically isolates and spaces two electrodes of different polarity from one another.
  • the electrodes are arranged in an electrode stack.
  • the galvanic cell has a sheath which at least partially surrounds the electrodes.
  • the sheath is formed with a composite foil and / or a thin-walled metal.
  • examination is understood to mean a process in which a parameter, state and / or transition from a first Condition is determined to a second state.
  • an examination is carried out as needed.
  • an examination provides an electronically processable result.
  • an operating state is the state of a device, whereby a state can also be described by a series of physical parameters.
  • at least one physical parameter of the device is preferably determined, particularly preferably together with the time of the determination.
  • the type of the at least one physical parameter is chosen such that its knowledge makes it possible to make a statement about the state of the device.
  • an operating condition is determined by a plurality of measured physical parameters. It is not uncommon to classify various operating states of a device into desirable, undesirable and dangerous operating conditions.
  • a non-destructive testing method is to be understood as meaning a method for examining a device. Under a nondestructive testing method also causes the tested or examined device is impaired in their functionality as little as possible, preferably not affected.
  • the nondestructive testing method is performed during operation of the at least one galvanic cell.
  • the non-destructive testing method used is adapted to the physical parameter which is to be determined.
  • non-destructive testing it is also preferable to ascertain the correct supernatants of the layers of the electrode stack, the mechanical damage to the cells, the corrosion of electrodes, and the discoloration or dissolution of materials.
  • the uninjured state of the enclosure of the galvanic cell is determined by non-destructive testing.
  • test result is to be understood as the result of an examination.
  • the test result is in the form of data, which can be processed particularly preferably electronically.
  • an investigation leads to a test result, which can be tapped as electrical current or as electrical voltage.
  • a test result is presented as a readable, at least one-dimensional display.
  • a comparison value is to be understood as meaning a value, in particular a physical parameter, which is related to a preferred range of this physical parameter with respect to the at least one galvanic cell.
  • the comparison value limits the desired range of a physical parameter to a galvanic cell or the battery.
  • a comparison value is related to a particularly preferred value for a physical parameter.
  • a galvanic cell or the battery possible range to a physical parameter divided into several sub-areas. Among these several sub-ranges are also those which characterize a desired or undesired operating state of the galvanic cell or the battery.
  • at least one comparison value in particular permanently stored.
  • a plurality of comparison values are stored.
  • comparative values will be described below based on the temperature of a galvanic cell. So is the desired range of temperature during the Operation characterized by an upper and a lower limit. The temperature during operation may undesirably be outside of this preferred temperature range. Thus, a minimum temperature is provided as comparison values below the minimum operating temperature and a maximum temperature above the upper operating temperature.
  • the affected galvanic cell When one of the two last-mentioned comparison values is exceeded, the affected galvanic cell is preferably switched off or electrically insulated. In addition, further measures increasing the safety of the galvanic cell can be taken. Similar comparative values are also stored according to the invention for other significant physical parameters. For the purposes of the invention, a comparative value is also to be understood as a time course.
  • linking a test result with a comparative value means that differences and / or quotients are formed from these values. If the test results or comparison values are gradients, linking preferably also includes filtering, averaging, frequency analysis, squares and extrapolation.
  • the underlying object is also achieved by a method for operating a battery with at least one galvanic cell.
  • the battery has at least one electrode stack with at least two laminar layers, in particular at least one anode, a separator and a cathode.
  • the at least one galvanic cell is examined at least from time to time, in particular in the presence of a predetermined operating state of the battery or the galvanic cell. With the examination, at least one functional parameter is determined for at least one planar layer of the electrode stack. Subsequently, the at least one function parameter is linked to at least one second comparison value.
  • an electrode stack means a device which also serves to store energy in electrochemical form.
  • An electrode stack is characterized by the close spatial arrangement of its components or layers. Preferably, the electrode stack is formed prismatic. Present is under one
  • Electrode stack to understand the arrangement of at least two electrodes of different polarity and an electrolyte arranged therebetween.
  • the layers of the electrode stack are preferably flat and thin-walled and particularly preferably formed as a limp.
  • a separator is at least partially disposed between two electrodes of different polarity.
  • This sequence of layers within the electrode stack is preferably repeated several times.
  • some electrodes of the electrode stack are in particular electrically connected to each other, in particular connected in parallel.
  • the layers are wound up into an electrode winding.
  • the term "electrode stack" will also be used for electrode winding.
  • an anode is to be understood as a device which receives positively charged ions and electrodes when the associated galvanic cell is charged.
  • the anode is thin-walled, more preferably, the thickness of the anode is less than 5% of its largest edge length.
  • the anode has a metal foil or a metallic mesh structure.
  • the anode is formed substantially rectangular.
  • the anode is formed loosely.
  • a cathode is to be understood as a device which receives electrodes and positively charged ions when the associated galvanic cell is discharged or during the delivery of electrical energy.
  • the cathode is formed thin-walled, more preferably, the thickness of the cathode is less than 5% of its largest edge length.
  • the cathode has a metal foil or a metallic one Network structure on.
  • the shape of a cathode substantially corresponds to the shape of an anode of the electrode stack.
  • the cathode is also provided for electrochemical interaction with the anode or the electrolyte.
  • a separator also means an electrically insulating device which separates and spaces an anode from a cathode.
  • the separator is applied as a layer on an adjacent anode and / or a cathode.
  • the separator also at least partially accommodates an electrolyte, wherein the electrolyte preferably contains lithium ions.
  • the electrolyte is adjacent
  • the shape of the separator substantially corresponds to the shape of an anode of the electrode stack.
  • a separator is thin-walled, particularly preferably as a microporous film.
  • the separator at least partially extends over a boundary edge at least one electrode. Particularly preferably, the separator extends beyond all boundary edges of adjacent electrodes.
  • a functional parameter is to be understood as meaning at least one property which provides information about the operating state of an associated galvanic cell or a laminar layer of the
  • Electrode stack allows.
  • a plurality of functional parameters jointly serve to describe the state of a planar layer of the electrode stack.
  • Significant properties with the detection of a meaningful, associated physical parameter are preferably investigated in particular for the state of a layer of the electrode stack.
  • the mechanical stability of the electrodes in particular the copper collectors, the presence of foreign particles also from the production, the formation of metal dendrites, in particular of copper and / or lithium, discoloration of the electrodes, understood chemical composition of the electrodes, the content of certain ions, the corrosion of the electrodes or current-carrying layers of the electrode stack, the content of HF and H20.
  • chemical or physical properties are determined for the individual layers of the electrode stack.
  • a second comparison value is to be understood as meaning a significant value for a function parameter.
  • the at least one galvanic cell or its constituents in particular in a predetermined operating state, is investigated.
  • predetermined operating states also include different points in time during the existence of a galvanic cell or a battery.
  • the galvanic cell or its constituents are preferably already investigated during production, in particular during or after selected production processes.
  • test results are stored.
  • a galvanic cell or its component is examined even after prolonged storage before delivery and at regular intervals during operation of the galvanic cell or the battery. The test results are saved.
  • a galvanic cell is subjected to charging and discharging, high electrical current loads, overheating or overcooling, shocks and vibrations. These loads also lead to progressive aging of the galvanic cell.
  • early and / or accelerated aging or damage to a galvanic cell can be detected at an early stage.
  • detection of incipient and / or advanced damage measures can be taken to maintain the reliability of the galvanic cell.
  • a beginning failure of the electrical insulation be detected between electrodes of different polarity. In this way, a threatening short circuit in the electrode stack of the galvanic cell can be detected early.
  • the tendency of the galvanic cell to ignite due to insufficient electrical insulation within the electrode stack can be addressed. This solves the underlying task.
  • the examination of the at least one galvanic cell using electromagnetic radiation advantageously follows.
  • the galvanic cell to be examined is irradiated electromagnetically along at least one directional vector.
  • the electromagnetic radiation has wavelengths below 10 m, more preferably below 10 ⁇ * m.
  • the wavelength is less than 10 ⁇ 12m , so the electromagnetic radiation is more like particles.
  • the detector is the electromagnetic radiation at a typical for the wavelength and the geometry or materials of the galvanic cell angle of failure collected by a detector.
  • the detector is adapted to the wavelength of the electromagnetic radiation to be received.
  • the electromagnetic radiation can be directed by means for beam guidance.
  • Such devices also include those that can focus, disperse, shield, deflect and / or reflect the electromagnetic radiation.
  • the detector provides an electronically processable signal.
  • infrared rays, visible light, X-rays, gamma rays but also particle beams (alpha radiation, beta-minus radiation, beta-plus radiation) have proved to be useful.
  • the at least one galvanic cell is also by means of Computed tomography or magnetic resonance tomography examined.
  • the electromagnetic irradiation of the at least one galvanic cell preferably takes place along different direction vectors. Particularly preferably, at least two of these direction vectors are mutually perpendicular.
  • the results of investigations with electromagnetic radiation along at least two different direction vectors are linked to each other in particular by calculation.
  • the electromagnetic radiation is pulse-like or with time-varying intensity.
  • the electromagnetic radiation penetrates through the enclosure and provides information about its content, in particular the layers of the electrode stack.
  • the galvanic cell is at least partially heated or irradiated by the electromagnetic radiation.
  • the examination results are stored together with the time of the respective examination. From this stored data, a history log is preferably made if necessary.
  • This history protocol particularly supports the process of advancing a galvanic cell with respect to the materials used and the manufacturing processes.
  • the results of the tests are stored together with an identifier of the examined galvanic cell of a battery.
  • the result is preferably a cell-specific history, which if necessary also serves to improve the performance of a galvanic cell.
  • the stored data are read out during maintenance work and transmitted to the manufacturer.
  • the at least one galvanic cell is examined at different times, in particular with a predetermined time interval.
  • these studies are taken into consideration
  • the time progress is evaluated so that a beginning and / or progressive aging or damage to the galvanic cell is detected and detected.
  • a future time profile of the relevant examination result is preferably predicted.
  • a warning message is issued. This is preferably displayed to a user of the motor vehicle and / or maintenance personnel.
  • the computer-aided evaluation preferably takes place with regard to chemical and / or physical data of the galvanic cell to be tested. Such chemical and / or physical data are in particular:
  • critical states of degradation can be detected, in particular:
  • an examination result of a person entrusted with the production or the galvanic cell, maintenance personnel and / or a user of a device according to the invention is depicted pictorially.
  • the at least one examination result ie a test result, a function parameter or a physical parameter
  • the pictorial representation takes place on a screen or monitor.
  • limit values, desired courses, desired geometries are preferably displayed.
  • the at least one test result from a non-destructive test using electromagnetic radiation is preferably shown pictorially.
  • the person viewing gains within a short time an impression of the state of the at least one galvanic cell.
  • an automated error analysis based on the examination is carried out on the galvanic cell to be tested.
  • This automated error analysis is done preferably computer-aided, for example, based on stored calculation instructions, which map in particular permissible safety operating windows. If chemically and / or physically critical data or values are detected which could indicate critical and / or dangerous operating states of the galvanic cell to be tested, then an error message is output in order to avoid future damage and to ensure safety.
  • an examiner releases a galvanic cell after the examination with an acknowledgment.
  • the error message and / or the acknowledgment is stored, particularly preferably with a value which is representative of the time of the examination and / or for the examining person.
  • the at least one galvanic cell is removed, in particular in the event of advanced aging and / or incipient failure, in particular of the electrical insulation between electrodes of different polarity of the electrode stack of the battery.
  • the relevant galvanic cell is replaced by a less hazardous galvanic cell.
  • a galvanic cell to be removed is removed during maintenance work.
  • a galvanic cell to be removed is electrically isolated prior to removal.
  • a galvanic cell to be removed is discharged before removal.
  • the battery associated with other facilities that support the implementation of a method according to the invention also serves to detect at least one functional parameter or a physical parameter which provides information about the state of the at least one galvanic cell. If required, the at least one measuring device is preferably actuated by the control device to acquire a measured value.
  • the at least one measuring device preferably provides the control device with a measured value.
  • a measuring device has several sensors, which in particular are assigned to different galvanic cells.
  • data relating to measured values and time profiles of measured values, in particular for generating a progress log are stored in the memory device.
  • the at least one measuring device has a detector for electromagnetic radiation, in particular for X-rays, infrared rays.
  • the at least one measuring device preferably has a detector for sound waves, in particular for ultrasonic waves.
  • the electrode stack of the at least one galvanic cell is formed with a separator, which consists of a material-permeable carrier, preferably partially permeable to material, ie substantially permeable with respect to at least one material and substantially impermeable with respect to at least one other material.
  • the carrier is coated on at least one side with an inorganic material.
  • an organic material is preferably used, which is preferably configured as a non-woven fabric.
  • the organic material preferably a polymer, and more preferably polyethylene terephthalate (PET), is coated with an inorganic ion conducting material which is preferably ion conducting in a temperature range of from -40 ° C to 200 ° C.
  • the inorganic, ion-conducting material preferably comprises at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosolizates with at least one of the elements Zr, Al, Li, particularly preferably zirconium oxide.
  • the inorganic, ion-conducting material preferably has particles with a largest diameter below 100 nm. Such a separator is marketed, for example, under the trade name "Separion" by Evonik AG in Germany.
  • a device for operating the method is preferably associated with the supplied drive and / or the motor vehicle.
  • the implementation of a method according to the invention is especially during the use of powered drive possible.
  • an apparatus for operating the method is installed in a place where maintenance work
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention in a schematic schematic diagram
  • Fig. 2 shows four different images of a battery to be tested based on an X-ray technology.
  • FIG. 1 shows a test apparatus, denoted overall by 1, for the non-destructive testing of galvanic cells.
  • a Galvanic cell to be tested is designated 2.
  • the device is not limited to the design.
  • the test apparatus 1 comprises a radiation source 3.
  • the radiation source 3 Alternatively, the
  • Tester 1 also comprise a plurality of radiation sources 3, which are arranged in different positions around the Galvanic cell 2 to be tested.
  • the radiation source 3 is an X-ray source.
  • This radiation source 3 emits beams 4, which are, for example, X-rays, which penetrate the galvanic cell 2 to be tested and are detected by a sensor 5, which is an X-ray sensor by way of example.
  • the beams 4 are oriented in particular parallel to one another.
  • Reference numeral 4a denotes reflected beams detected by respective sensors 6a and 6b.
  • a computer 7 For controlling the radiation source 3 and for processing the sensor signals of the sensors 5, 6a and 6b, a computer 7 is included. This calculates from the sensor signals an image, a sequence of images to represent the invisible to the naked eye interior of the galvanic cell to be tested 2. This result can be displayed on a monitor 8, on which a trained specialist to be tested galvanic cell. 2 from different points of view and can evaluate the test result.
  • an automated error analysis can be performed.
  • This automated error analysis is performed e.g. using software stored algorithms or e.g. also by an image adjustment with deposited ideal or target images. If an error state or another critical state is detected at the galvanic cell to be tested, an error indication can be displayed on the monitor 8, in which case the specifically recognized error can also be output. This makes it possible for the galvanic cell 2 to be tested to be sorted out, replaced or repaired.
  • the test apparatus 1 can also comprise a plurality of radiation sources 3 of different types.
  • an X-ray source can be combined with an ultrasonic radiation source.
  • sensors are provided.
  • a self-radiation of the galvanic cell 2 to be tested for example a thermal radiation or a magnetic field, with corresponding sensors and to evaluate them by means of the computer 7.
  • a radiation source 3 would not necessarily be required.
  • Such self-radiation of the galvanic cell 2 to be tested can additionally be detected in the embodiment described above.
  • FIG. 2 shows four different images or images a to d of a galvanic cell 2 to be tested, which were recorded on a test apparatus 1 according to FIG. 1 based on x-ray technology.
  • the pictures show an electrode stack (cf. the above explanations), in which the electrodes and separators are designed, grouped and enveloped as stacking sheets and combined to form a stack.
  • the correct arrangement of the electrodes and separators of the galvanic cell 2 to be tested can be checked, which is e.g. done manually by a trained specialist.
  • a trained specialist for this purpose, there is the possibility of measuring the images on the Montitor 8, for example. special tools are available.
  • Partial figure a shows a two-dimensional alignment error (x, y) of an anode relative to a cathode, which are aligned in a correct arrangement in the stacking direction, i. should lie substantially exactly on each other, as in
  • Part figure b is shown. Such an alignment error can significantly deteriorate a power value of the galvanic cell to be tested and also represent a significant security risk.
  • Sub-figure c shows a tilt of the stack of electrodes and separators, which is indicated by an arrow. Such a tilt can also significantly deteriorate a power value of the galvanic cell to be tested and also represents a significant security risk.
  • Part d shows the recorded orientation of a top layer.
  • the invention can be used in particular in galvanic cells with lead, nickel-metal hydride, lithium, lithium ions.
  • the application is provided in lithium-ion cells, especially in the automotive sector.
  • Another aspect of the invention consists of irradiating or irradiating the galvanic cell 2 to be tested in different operating states.
  • chemical and / or physical data of the galvanic cell 2 to be tested can be detected and checked, which possibly only occur in the respective operating state and may not be otherwise or only conditionally detectable.
  • the acquired data can then be e.g. indicate possible fault-related overheating problems, e.g.
  • a "thermal runaway" is understood to mean a self-reinforcing temperature increase of the galvanic cell 2, which can lead to spontaneous ignition and possibly to the explosion of the galvanic cell 2.

Abstract

Die zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle. Die wenigstens eine galvanische Zelle wird wenigstens zeitweise einer Untersuchung unterworfen, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Batterie
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von KFZ-Antrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Chemie der Batterie, deren Bauart oder unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Anwendung finden kann.
Aus dem Stand der Technik sind Batterien mit mehreren galvanischen Zellen zur Versorgung von KFZ-Antrieben bekannt. Einigen Bauarten ist gemein, dass sie die gespeicherte Energie unter Umständen unkontrolliert freigeben, insbesondere nach einer mindesten Betriebsdauer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit einer Batterie auch nach einer mindesten Betriebsdauer weitgehend zu erhalten.
Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle. Die wenigstens eine galvanische Zelle wird wenigstens zeitweise einer Untersuchung unterworfen, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle. Die Untersuchung der wenigstens einen galvanischen Zelle erfolgt mit einem zerstörungsfreien Prüfverfahren, wobei wenigstens ein Prüfergebnis zur Verfügung gestellt wird. Das wenigstens eine Prüfergebnis wird anschließend mit wenigstens einem ersten Vergleichswert verknüpft.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Batterie eine Vorrichtung mit wenigstens einer galvanischen Zelle auch zur Versorgung eines Antriebs zu verstehen. Vorzugsweise weist die Batterie mehrere galvanische Zellen auf, welche miteinander elektrisch verschaltet sind. Vorzugsweise weist die Batterie weitere Einrichtungen auf, welche den ordentlichen Betrieb der wenigstens einen galvanischen Zelle unterstützen. Je nach Ausführung der wenigstens einen galvanischen Zelle ist die Batterie wiederaufladbar. Man spricht dann auch von einem Akkumulator bzw. einer Sekundärbatterie.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer galvanischen Zelle eine Einrichtung zu verstehen, welche auch der Abgabe von elektrischer Energie dient. Die galvanische Zelle speichert die Energie in chemischer Form. Vor Abgabe eines elektrischen Stroms wird die chemische Energie gewandelt. Unter Umständen ist die galvanische Zelle auch geeignet, elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie zu wandeln und abzuspeichern. Auch zur Speicherung der Energie weist die galvanische Zelle wenigstens zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität, d.h. eine Anode und eine Kathode, und einen Elektrolyt auf. Vorzugsweise weist die galvanische Zelle weiter einen Separator auf, welcher zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität gegeneinander elektrisch isoliert und beabstandet. Vorzugsweise sind die Elektroden in einem Elektrodenstapel angeordnet. Vorzugsweise weist die galvanische Zelle eine Umhüllung auf, welche die Elektroden wenigstens teilweise umschließt. Vorzugsweise ist die Umhüllung mit einer Verbundfolie und/oder einem dünnwandigen Metall ausgebildet.
Im Sinne der Erfindung ist unter Untersuchung ein Vorgang zu verstehen, bei dem auch ein Parameter, Zustand und/oder Übergang von einem ersten Zustand zu einem zweiten Zustand festgestellt wird. Vorzugsweise erfolgt eine Untersuchung bei Bedarf. Vorzugsweise liefert eine Untersuchung ein elektronisch verarbeitbares Ergebnis.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Betriebszustand der Zustand einer Vorrichtung zu verstehen, wobei ein Zustand auch durch eine Reihe physikalischer Parameter beschrieben werden kann. Zur Bestimmung eines Betriebszustands wird bevorzugt wenigstens ein physikalischer Parameter der Vorrichtung bestimmt, besonders bevorzugt gemeinsam mit dem Zeitpunkt der Bestimmung. Die Art des wenigstens einen physikalischen Parameters ist so gewählt, dass dessen Kenntnis eine Aussage über den Zustand der Vorrichtung ermöglicht. Vorzugsweise wird ein Betriebszustand durch eine Mehrzahl gemessener physikalischer Parameter bestimmt. Es ist nicht unüblich, verschiedene Betriebszustände einer Vorrichtung in erwünschte, unerwünschte und gefährliche Betriebszustände einzuteilen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem zerstörungsfreien Prüfverfahren ein Verfahren zur Untersuchung einer Vorrichtung zu verstehen. Unter einem zerstörungsfreien Prüfverfahren bewirkt auch, dass die geprüfte bzw. untersuchte Vorrichtung in ihrer Funktionsfähigkeit so wenig wie möglich beeinträchtigt wird, bevorzugt nicht beeinträchtigt wird. Bevorzugt wird das zerstörungsfreie Prüfverfahren während des Betriebs der wenigstens einen galvanischen Zelle durchgeführt. Vorzugsweise ist das angewendete zerstörungsfreie Prüfverfahren an den physikalischen Parameter angepasst, welcher ermittelt werden soll. Als besonders geeignet haben sich in der Praxis Schallemissionsprüfung, akustische Resonanzanalyse, Ultraschallprüfung, Sonographie, Thermographie, Dichtheitsprüfung, Vibrationsprüfung, Messungen der Geometrie, Messung der Rückstellung nach elastischer Verformung, Temperaturmessung, Wiegen, das Messen von elektrischem Strom und elektrischer Spannung auch unter Last erwiesen. Je nach Art der Vorrichtung bzw. deren Betrieb sind auch andere zerstörungsfreie Prüfverfahren geeignet. Vorzugsweise werden mittels zerstörungsfreier Prüfung auch korrekte Überstände der Schichten des Elektrodenstapels, die mechanische Schädigung der Zellen, die Korrosion von Elektroden, das Verfärben bzw. Auflösen von Materialien festgestellt. Vorzugsweise wird der unverletzte Zustand der Umhüllung der galvanischen Zelle mittels zerstörungsfreier Prüfung festgestellt.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Prüfergebnis das Ergebnis einer Untersuchung zu verstehen. Vorzugsweise ist liegt das Prüfergebnis in Form von Daten vor, welche besonders bevorzugt elektronisch verarbeitet werden können. Insbesondere führt eine Untersuchung zur einem Prüfergebnis, welches als elektrischer Strom bzw. als elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Insbesondere liegt ein Prüfergebnis als eine ablesbare, wenigstens eindimensionale Anzeige vor.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Vergleichswert ein Wert zu einem insbesondere physikalischen Parameter zu verstehen, welcher mit einem bevorzugten Bereich dieses physikalischen Parameters bezüglich der wenigstens einen galvanischen Zelle in Zusammenhang steht. Vorzugsweise begrenzt der Vergleichswert den erwünschten Bereich eines physikalischen Parameters zu einer galvanischen Zelle bzw. der Batterie. Insbesondere steht ein Vergleichswert zu einem besonders bevorzugten Wert für einen physikalischen Parameter in Beziehung. Insbesondere ist der während des
Betriebs einer galvanischen Zelle bzw. der Batterie mögliche Bereich zu einem physikalischen Parameter in mehrere Unterbereiche unterteilt. Unter diesen mehreren Unterbereichen sind auch solche, welche einen gewünschten oder unerwünschten Betriebszustand der galvanischen Zelle bzw. der Batterie charakterisieren. Bevorzugt ist wenigstens ein Vergleichswert, insbesondere dauerhaft abgespeichert. Zu einem Bereich eines physikalischen Parameters sind vorzugsweise mehrere Vergleichswerte abgespeichert. Nur beispielhaft werden nachfolgend Vergleichswerte anhand der Temperatur einer galvanischen Zelle beschrieben. So ist der gewünschte Bereich der Temperatur während des Betriebs durch eine obere und eine untere Grenze gekennzeichnet. Die Temperatur während des Betriebs kann unerwünscht auch außerhalb dieses bevorzugten Temperaturbereichs liegen. So sind als Vergleichswerte unterhalb der mindesten Betriebstemperatur eine Minimaltemperatur vorgesehen und oberhalb der oberen Betriebstemperatur eine maximale Temperatur. Mit Überschreiten eines der beiden letztgenannten Vergleichswerte wird die betroffene galvanische Zelle vorzugsweise abgeschaltet bzw. elektrisch isoliert. Zusätzlich können weitere, die Sicherheit der galvanischen Zelle erhöhende Maßnahmen ergriffen werden. Ähnliche Vergleichswerte werden erfindungsgemäß auch für weitere bedeutsame physikalische Parameter abgespeichert. Unter einem Vergleichswert ist im Sinne der Erfindung auch ein zeitlicher Verlauf zu verstehen.
Im Sinne der Erfindung ist unter Verknüpfen eines Prüfergebnisses mit einem Vergleichswert zu verstehen, dass aus diesen Werten Differenzen und/oder Quotienten gebildet werden. Sofern als Prüfergebnis bzw. als Vergleichswert Verläufe vorliegen, umfassen Verknüpfungen vorzugsweise auch das Filtern, das Bilden von Mittelwerten, Verfahren zur Frequenzanalyse, das Bilden von Fehlerquadraten und das Extrapolieren.
Die zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle. Die Batterie weist wenigstens welche einen Elektrodenstapel mit wenigstens zwei flächigen Schichten auf, insbesondere wenigstens eine Anode, einen Separator und eine Kathode. Die wenigstens eine galvanische Zelle wird wenigstens von Zeit zu Zeit untersucht, insbesondere bei Vorliegen eines vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle. Mit der Untersuchung wird wenigstens ein Funktionsparameter zu wenigstens einer flächigen Schicht des Elektrodenstapels bestimmt. Anschließend wird der wenigstens eine Funktionsparameter mit wenigstens einem zweiten Vergleichswert verknüpft. Im Sinne der Erfindung ist unter einem Elektrodenstapel eine Einrichtung zu verstehen, welche auch der Speicherung von Energie in elektrochemischer Form dient. Ein Elektrodenstapel ist gekennzeichnet durch die enge räumliche Anordnung seiner Bestandteile bzw. Schichten. Vorzugsweise ist der Elektrodenstapel prismatisch ausgebildet. Vorliegend ist unter einem
Elektrodenstapel die Anordnung wenigstens zweier Elektroden verschiedener Polarität und einem dazwischen angeordneten Elektrolyt zu verstehen. Die Schichten des Elektrodenstapels sind vorzugsweise flächig und dünnwandig und besonders bevorzugt biegeschlaff ausgebildet. Vorzugsweise ist ein Separator wenigstens teilweise zwischen zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität angeordnet. Vorzugsweise wiederholt sich diese Abfolge der Schichten innerhalb des Elektrodenstapels mehrfach. Bevorzugt sind einige Elektroden des Elektrodenstapels miteinander insbesondere elektrisch verbunden, insbesondere parallel geschaltet. Vorzugsweise sind die Schichten zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Nachfolgend wird der Begriff "Elektrodenstapel" auch für Elektrodenwickel verwendet.
Im Sinne der Erfindung ist unter Anode eine Einrichtung zu verstehen, welche beim Laden der zugehörigen galvanischen Zelle positiv geladene Ionen und Elektroden aufnimmt. Vorzugsweise ist die Anode dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Anode weniger als 5 % ihrer größten Kantenlänge. Vorzugsweise weist die Anode eine Metallfolie oder eine metallische Netzstruktur auf. Vorzugsweise ist die Anode in Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Vorzugsweise ist die Anode beigeschlaff ausgebildet.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Kathode eine Einrichtung zu verstehen, welche beim Entladen der zugehörigen galvanischen Zelle bzw. während der Abgabe elektrischer Energie Elektroden und positiv geladene Ionen aufnimmt. Vorzugsweise ist die Kathode dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Kathode weniger als 5 % ihrer größten Kantenlänge. Vorzugsweise weist die Kathode eine Metallfolie oder eine metallische Netzstruktur auf. Vorzugsweise entspricht die Gestalt einer Kathode im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenstapels. Die Kathode ist auch zur elektrochemischen Wechselwirkung mit der Anode bzw. dem Elektrolyt vorgesehen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Separator auch eine elektrisch isolierende Einrichtung zu verstehen, welche eine Anode von einer Kathode trennt und beabstandet. Vorzugsweise ist der Separator als Schicht auf einer benachbarten Anode und/oder einer Kathode aufgetragen. Der Separator nimmt auch einen Elektrolyt wenigstens teilweise auf, wobei der Elektrolyt vorzugsweise Lithium-Ionen enthält. Der Elektrolyt ist mit benachbarten
Schichten des Elektrodenstapels elektrochemisch wirkverbunden. Vorzugsweise entspricht die Gestalt des Separators im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenstapels. Vorzugsweise ist ein Separator dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt als mikroporöse Folie. Vorzugsweise erstreckt sich der Separator wenigstens bereichsweise über eine Begrenzungskante wenigstens eine Elektrode. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Separator über sämtliche Begrenzungskanten benachbarter Elektroden hinaus.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Funktionsparameter wenigstens eine Eigenschaft zu verstehen, welcher eine Aussage über den Betriebszustand einer zugehörigen galvanischen Zelle bzw. einer flächigen Schicht des
Elektrodenstapels zulässt. Vorzugsweise dienen mehrere Funktionsparameter gemeinsam zur Beschreibung des Zustands einer flächigen Schicht des Elektrodenstapels. Bevorzugt werden insbesondere für den Zustand einer Schicht des Elektrodenstapels bedeutsame Eigenschaften mit Erfassung eines aussagekräftigen, zugehörigen physikalischen Parameters untersucht.
Insbesondere werden als Funktionsparameter die mechanische Stabilität der Elektroden, insbesondere der Kupferkollektoren, die Anwesenheit von Fremdpartikeln auch aus der Produktion, die Bildung von Metalldendriten, insbesondere von Kupfer und/oder Lithium, Verfärbungen der Elektroden, chemische Zusammensetzung der Elektroden, der Gehalt bestimmter Ionen, die Korrosion der Elektroden bzw. stromführende Schichten des Elektrodenstapels, der Gehalt von HF und H20 verstanden. Vorzugsweise werden zu den einzelnen Schichten des Elektrodenstapels chemische bzw. physikalische Eigenschaften ermittelt.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem zweiten Vergleichswert ein bedeutsamer Wert zu einem Funktionsparameter zu verstehen.
Erfindungsgemäß wird die wenigstens eine galvanische Zelle bzw. deren Bestandteile, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand untersucht. Unter vorbestimmten Betriebszuständen sind im Sinne der Erfindung auch unterschiedliche Zeitpunkte während des Bestehens einer galvanischen Zelle bzw. einer Batterie zu verstehen. Bevorzugt wird die galvanische Zelle bzw. deren Bestandteile bereits während der Herstellung, insbesondere während oder nach ausgewählten Produktionsabläufen untersucht. Bevorzugt werden solche Prüfergebnisse abgespeichert. Bevorzugt wird eine galvanische Zelle bzw. deren Bestandteil auch nach längerer Lagerung vor der Auslieferung und in regelmäßigen Abständen während des Betriebs der galvanischen Zelle bzw. der Batterie untersucht. Dabei werden die Prüfergebnisse abgespeichert.
Während des Betriebs ist eine galvanische Zelle Lade- und Entladevorgängen, Belastungen aus hohen elektrischen Strömen, Überhitzung oder Unterkühlung, Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Diese Belastungen führen auch zu fortschreitender Alterung der galvanischen Zelle. Mit Durchführung der wiederholten Untersuchungen einer galvanischen Zelle bzw. deren Bestandteilen kann frühzeitig eine beginnende und/oder beschleunigte Alterung bzw. Schädigung einer galvanischen Zelle erkannt werden. Mit Erkennen einer beginnenden und/oder fortgeschrittenen Schädigung können Maßnahmen zur Erhaltung der Betriebssicherheit der galvanischen Zelle ergriffen werden. Insbesondere kann ein beginnendes Versagen der elektrischen Isolation zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität erkannt werden. Auf diese Weise kann ein drohender Kurzschluss im Elektrodenstapel der galvanischen Zelle frühzeitig erkannt werden. So kann auch der Neigung der galvanischen Zelle zur Entzündung infolge unzureichender elektrischer Isolierung innerhalb des Elektrodenstapels begegnet werden. So wird die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Nachfolgend werden zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Vorteilhaft folgt die Untersuchung der wenigstens einen galvanischen Zelle unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung. Dazu wird die zu untersuchende galvanische Zelle entlang wenigstens eines Richtungsvektors elektromagnetisch bestrahlt. Bevorzugt weist die elektromagnetische Strahlung Wellenlängen unter 10 m, besonders bevorzugt unter 10 ^* m auf. Vorzugsweise ist die Wellenlänge geringer als 10 ~12 m, sodass die elektromagnetische Strahlung eher den Charakter von Teilchen hat. Nach der Wechselwirkung mit der galvanischen
Zelle wird die elektromagnetische Strahlung unter einem für die Wellenlänge und die Geometrie bzw. Werkstoffe der galvanischen Zelle typischen Ausfallwinkel von einem Detektor aufgefangen. Dabei ist auch der Detektor an die Wellenlänge der zu empfangenden elektromagnetischen Strahlung angepasst. So kommen als Detektoren verschiedene technische Einrichtungen aber auch das unbewaffnete Auge in Betracht. Insbesondere kann die elektromagnetische Strahlung mit Einrichtungen zur Strahlführung gelenkt werden. Solche Einrichtungen umfassen auch solche, welche die elektromagnetische Strahlung bündeln, zerstreuen, abschirmen, ablenken und/oder reflektieren können. Vorzugsweise liefert der Detektor ein elektronisch verarbeitbares Signal. In der Praxis haben sich insbesondere Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung aber auch Partikelstrahlen (Alpha- Strahlung, Beta-Minus-Strahlung, Beta-Plus-Strahlung) als dienlich erwiesen. Vorzugsweise wird die wenigstens eine galvanische Zelle auch mittels Computertomographie bzw. Magnetresonanztomographie untersucht. Vorzugsweise erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung der wenigstens einen galvanischen Zelle entlang verschiedener Richtungsvektoren. Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei dieser Richtungsvektoren zueinander rechtwinklig. Vorzugsweise werden die Ergebnisse von Untersuchungen mit elektromagnetischer Strahlung entlang wenigstens zwei verschiedener Richtungsvektoren miteinander insbesondere rechnerisch verknüpft. Bevorzugt erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung pulsartig bzw. mit zeitlich veränderlicher Intensität. Vorzugsweise dringt die elektromagnetische Strahlung durch die Umhüllung und gibt Aufschluss über deren Inhalt, insbesondere die Schichten des Elektrodenstapels. Vorzugsweise wird die galvanische Zelle wenigstens teilweise von der elektromagnetischen Strahlung erwärmt bzw. durchstrahlt.
Vorteilhaft werden die Untersuchungsergebnisse gemeinsam mit dem Zeitpunkt der jeweiligen Untersuchung abgespeichert. Aus diesen abgespeicherten Daten wird vorzugsweise bei Bedarf ein Verlaufsprotokoll angefertigt. Dieses Verlaufsprotokoll unterstützt insbesondere den Vorgang der Weiterentwicklung einer galvanischen Zelle bezüglich der verwendeten Materialien und der Herstellprozesse.
Vorteilhaft werden die Ergebnisse der Untersuchungen gemeinsam mit einer Kennung der untersuchten galvanischen Zelle einer Batterie abgespeichert. So entsteht bevorzugt ein zellspezifischer Verlaufsprotokoll, welches bei Bedarf auch zur Verbesserung der Ausführung einer galvanischen Zelle dient. Vorzugsweise werden im Rahmen von Wartungsarbeiten die abgespeicherten Daten ausgelesen und dem Hersteller übermittelt.
Vorteilhaft wird die wenigstens eine galvanische Zelle zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere mit einem vorgegebenen zeitlichen Abstand, untersucht. Vorzugsweise werden diese Untersuchungen unter Berücksichtigung der Zeitfortschritts so ausgewertet, dass eine beginnende und/oder fortschreitende Alterung bzw. Schädigung der galvanischen Zelle festgestellt und erkannt wird. Mit Verwendung einer vorgegebenen Rechenvorschrift wird vorzugsweise ein künftiger zeitlicher Verlauf des betreffenden Untersuchungsergebnisses vorhergesagt. Vorzugsweise wird bei Vorliegen eines vorgegebenen tatsächlichen und/oder vorhergesagten Verlaufs eines physikalischen Parameters eine warnende Meldung abgesetzt. Diese wird bevorzugt einem Benutzer des Kraftfahrzeugs und/oder Wartungspersonal angezeigt. Bevorzugt erfolgt die insbesondere rechnergestützte Auswertung hinsichtlich chemischer und/oder physikalischer Daten der zu prüfenden galvanischen Zelle. Solche chemischen und/oder physikalischen Daten sind insbesondere:
• Kalligraphie, d.h. korrekte Anordnung sowie Überstände zwischen Elektroden (Anoden / Kathode) und Separator bzw. Separatoren, insbesondere bei gestapelter Anordnung;
• chemische und/oder physikalische Stabilität der Kollektoren, insbesondere von Kupfer-Kollektoren;
• produktionsbedingter Einschluss von Fremdpartikeln und/oder vorhandene Fehlstellen in Materialien und Werkstoffen; • Bildung bzw. Ausbildung von Kupfer-Dendriten;
• Bildung bzw. Ausbildung von Lithium-Dendriten;
• mechanische und/oder thermische Schädigung bzw. Beschädigung, einschließlich Verfärbungen, der zu prüfenden galvanische Zelle oder einzelner Elemente und/oder Komponenten, wie insbesondere einzelne Schichten des Elektrodenstapels; ein besonderer Aspekt liegt hier z.B. auf der Inspektion von keramischen Separatoren, insbesondere hinsichtlich mechanischer Beschädigungen wie Risse und Brüche;
• chemische Zusammensetzung der Elektroden und/oder der Separatoren;
• Dichte der Elektroden und/oder Separatoren, ggf. auch des Elektrolyts; • lonengehalt, insbesondere des Elektrolyts; • Auslösungs- und/oder Auflösungserscheinungen von Materialen und Werkstoffen;
• Korrosion von Ableitern (Kontaktelemente) und/oder der Umhüllung, ggf. auch des Gehäuses; und • HF-Gehalt bzw. -Konzentration (Fluorwasserstoffsäure) und H20-Gehalt bzw. -Konzentration.
Weiterhin können kritische Zustände einer Degradation erfasst werden, wie insbesondere:
• beginnende Lithium-Abscheidung auf Kohlenstoff-Komponenten; • beginnende Elektrolytzersetzung; und
• beginnende oder komplette Delithiation einer Kathode.
Zudem können elektrische Kurzschlüsse verschiedenster Art erfasst werden.
Vorteilhaft wird ein Untersuchungsergebnis einer mit der Herstellung bzw. der galvanischen Zelle betrauten Person, Wartungspersonal und/oder einem Benutzer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bildhaft dargestellt.
Vorzugsweise wird das wenigstens eine Untersuchungsergebnis, d.h. ein Prüfergebnis, ein Funktionsparameter oder ein physikalischer Parameter, bildhaft in Bezug zu einem Vergleichswert und/oder einem erwünschten Zustand angezeigt. Bevorzugt erfolgt die bildhafte Darstellung auf einem Bildschirm bzw. Monitor. Bevorzugt werden dabei Grenzwerte, erwünschte Verläufe, erwünschte Geometrien angezeigt. Bevorzugt wird insbesondere das wenigstens eine Untersuchungsergebnis aus einer zerstörungsfreien Prüfung unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung bildhaft dargestellt. Vorteilhaft gewinnt die betrachtende Person binnen kurzer Zeit einen Eindruck vom Zustand der wenigstens einen galvanischen Zelle. Bevorzugt wird an der zu prüfenden galvanische Zelle eine auf der Untersuchung basierende automatisierte Fehleranalyse durchgeführt. Diese automatisierte Fehleranalyse erfolgt bevorzugt rechnergestützt, z.B. aufgrund abgespeicherter Rechenvorschriften, die insbesondere zulässige Sicherheitsbetriebsfenster abbilden. Werden chemisch und/oder physikalisch kritische Daten bzw. Werte erkannt, die auf kritischen und/oder gefährlichen Betriebszuständen der zu prüfenden galvanischen Zelle hinweisen könnten, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben, um eine zukünftige Schädigung zu vermeiden und die Sicherheit zu gewährleisten. Vorzugsweise gibt eine untersuchende Person eine galvanische Zelle nach der Untersuchung mit einer Quittierung frei. Vorzugsweise wird die Fehlermeldung und/oder die Quittierung abgespeichert, besonders bevorzugt mit einem Wert, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Untersuchung und/oder für die untersuchende Person ist.
Vorteilhaft wird die wenigstens eine galvanische Zelle insbesondere bei fortgeschrittener Alterung und/oder beginnendem Versagen insbesondere der elektrischen Isolation zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität des Elektrodenstapels der Batterie entnommen. Vorzugsweise wird die betreffende galvanische Zelle durch eine weniger gefährdende galvanische Zelle ersetzt. Vorzugsweise wird eine zu entnehmende galvanische Zelle im Rahmen von Wartungsarbeiten entnommen. Vorzugsweise wird eine zu entnehmende galvanische Zelle vor der Entnahme elektrisch isoliert. Vorzugsweise wird eine zu entnehmende galvanische Zelle vor der Entnahme entladen.
Vorteilhaft sind der Batterie weitere Einrichtungen zugeordnet, welche die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unterstützen. Vorzugsweise dient die wenigstens eine Messeinrichtung auch zur Erfassung wenigstens eines Funktionsparameters bzw. eines physikalischen Parameters, welcher Aufschluss über den Zustand der wenigstens einen galvanischen Zelle gibt. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Messeinrichtung bei Bedarf von der Steuereinrichtung zur Erfassung eines Messwertes angesteuert. Vorzugsweise stellt die wenigstens eine Messeinrichtung der Steuereinrichtung einen Messwert zur Verfügung. Vorzugsweise weist eine Messeinrichtung mehrere Messfühler auf, welche insbesondere verschiedenen galvanischen Zellen zugeordnet sind. Vorzugsweise sind in der Speichereinrichtung Daten betreffend Messwerte und zeitliche Verläufe von Messwerten, insbesondere zur Erstellung eines Verlaufsprotokolls abgespeichert. Vorzugsweise weist die wenigstens eine Messeinrichtung einen Detektor für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für Röntgenstrahlen, Infrarotstrahlen auf. Vorzugsweise weist die wenigstens eine Messeinrichtung einen Detektor für Schallwellen, insbesondere für Ultraschallwellen auf.
Vorzugsweise ist der Elektrodenstapel der wenigstens einen galvanischen Zelle mit einem Separator ausgebildet, welcher aus einem stoffdurchlässigen Träger besteht, vorzugsweise teilweise stoffdurchlässig, also im Wesentlichen durchlässig in Bezug auf zumindest ein Material und im Wesentlichen undurchlässig in Bezug auf zumindest ein anderes Material. Der Träger ist auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET), ist mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von - 40° C bis 200° C ionenleitend ist. Das anorganische, ionenleitende Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, AI, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen "Separion" von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Betrieb des Verfahrens dem versorgten Antrieb und/oder dem Kraftfahrzeug zugeordnet. So ist die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere auch während der Benutzung des versorgten Antriebs möglich. Bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Betrieb des Verfahrens an einem Ort installiert, an dem Wartungsarbeiten
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Prinzipskizze; und
Fig. 2 vier verschiedene Aufnahmen einer zu prüfenden Batterie die auf einer Röntgentechnologie basieren.
Fig.1 zeigt eine insgesamt mit 1 bezeichnete Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Galvanische Zellen. Eine zu prüfender Galvanische Zelle ist mit 2 bezeichnet. Je nach Ausführung kann die Vorrichtung
1 einen einzelnen Galvanische Zelle 2 oder eine Vielzahl von Galvanische Zellen
2 prüfen bzw. überprüfen.
Die Prüfvorrichtung 1 umfasst eine Strahlenquelle 3. Alternativ kann die
Prüfvorrichtung 1 auch eine Vielzahl von Strahlenquellen 3 umfassen, die in verschiedenen Positionen um die zu prüfende Galvanische Zelle 2 angeordnet sind. Bei der Strahlenquelle 3 handelt es sich beispielhaft um einen Röntgenstrahler. Diese Strahlenquelle 3 sendet Strahlen 4 aus, wobei es sich beispielhaft um Röntgenstrahlen handelt, welche die zu prüfenden Galvanische Zelle 2 durchdringen und von einem Sensor 5 erfasst werden, wobei es sich beispielhaft um einen Röntgensensor handelt. Die Strahlen 4 sind insbesondere zueinander parallel orientiert.
Je nach Art der Strahlenquelle 3 durchdringen die von dieser Strahlenquelle 3 ausgesandten Strahlen 4 die zu prüfende galvanische Zelle 2 und/oder an dieser bzw. in dieser reflektiert oder zumindest teilweise reflektiert werden. Das Bezugszeichen 4a bezeichnet reflektierte Strahlen, die von entsprechenden Sensoren 6a und 6b erfasst werden.
Zur Steuerung der Strahlenquelle 3 und zur Verarbeitung der Sensorsignale der Sensoren 5, 6a und 6b ist ein Rechner 7 umfasst. Dieser berechnet aus den Sensorsignalen ein Bild, eine Abfolge von Bildern zur Darstellung des mit dem bloßen Auge nicht sichtbaren Inneren der zu prüfenden galvanischen Zelle 2. Dieses Ergebnis kann auf einem Monitor 8 angezeigt werden, auf dem eine geschulte Fachkraft die zu prüfenden galvanische Zelle 2 unter verschiedenen Gesichtspunkten untersuchen und das Untersuchungsergebnis bewerten kann.
Mittels des Rechners 7 kann zudem eine automatisierte Fehleranalyse durchgeführt werden. Diese automatisierte Fehleranalyse erfolgt z.B. anhand softwaremäßig hinterlegter Algorithmen oder z.B. auch durch einen Bildabgleich mit hinterlegten Ideal- oder Soll-Bildern. Wird an dem zu prüfenden Galvanische Zelle ein Fehlerzustand oder ein sonstiger kritischer Zustand erkannt, so kann auf dem Monitor 8 eine Fehleranzeige erfolgen, wobei dann auch der konkret erkannte Fehler ausgegeben werden kann. Dadurch wird ermöglicht, dass die zu prüfende galvanische Zelle 2 ausgesondert, ausgetauscht oder repariert werden kann.
Darüber hinaus können mittels des Rechners 7 auch weitere relevante Daten der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 bestimmt werden, wie insbesondere eine Restlebensdauer oder verschiedene Leistungswerte. Auch diese Daten können auf dem Monitor 8 ausgegeben werden.
Abweichend zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Prüfvorrichtung 1 auch mehrere Strahlenquellen 3 unterschiedlicher Art umfassen. So kann z.B. ein Röntgenstrahler mit einer Ultraschallstrahlenquelle kombiniert werden. In diesem Fall sind ebenfalls entsprechende Sensoren vorzusehen. Ferner besteht die Möglichkeit, eine Selbststrahlung der zu prüfenden galvanischen Zelle 2, z.B. eine thermische Strahlung oder ein Magnetfeld, mit entsprechenden Sensoren zu erfassen und mittels des Rechners 7 auszuwerten. In diesem Fall wäre eine Strahlenquelle 3 nicht zwangsläufig erforderlich. Eine solche Selbststrahlung der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 kann zudem bei der oben erläuterten Ausführungsform ergänzend erfasst werden.
Fig. 2 zeigt vier verschiedene Aufnahmen bzw. Bilder a bis d einer zu prüfenden galvanischen Zelle 2, die auf einer Prüfvorrichtung 1 gemäß der Fig.1 basierend auf einer Röntgentechnologie aufgenommen wurden. Die Bilder zeigen einen Elektrodenstapel (vgl. hierzu obige Ausführungen), bei dem die Elektroden und Separatoren als Stapelblätter ausgebildet, gruppiert und umhüllt, und zu einem Stapel zusammengefasst sind.
Auf den dargestellten Bildern kann die korrekte Anordnung der Elektroden und Separatoren der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 überprüft werden, was z.B. manuell durch eine geschulte Fachkraft erfolgt. Hierzu besteht die Möglichkeit einer Vermessung der Bilder am Montitor 8, wozu z.B. spezielle Werkzeuge zur Verfügung stehen.
Teilfigur a zeigt einen zweidimensionalen Fluchtungsfehler (x, y) einer Anode relativ zu einer Kathode, die bei einer korrekten Anordnung in Stapelrichtung fluchten, d.h. im wesentlichen exakt aufeinander liegen sollten, wie dies in
Teilfigur b gezeigt ist. Ein solcher Fluchtungsfehler kann einen Leistungswert der zu prüfenden galvanischen Zelle deutlich verschlechtern und zudem ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen.
Teilfigur c zeigt eine Verkippung des Stapels aus Elektroden und Separatoren, was mit einem Pfeil angezeigt ist. Eine solche Verkippung kann ebenfalls einen Leistungswert der zu prüfenden galvanische Zelle deutlich verschlechtern und stellt zudem ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Teilfigur d zeigt die aufgenommene Ausrichtung einer Oberschicht.
Solche Aufnahmen bzw. Bilder lassen sich selbstverständlich auch bei rundzylindrischen Wickelzellen oder Zellen mit einer sonstigen Zellgestalt erstellen, wobei hier ggf. andere Anordnungskriterien zu überprüfen sind.
Die Erfindung lässt sich insbesondere anwenden bei galvanischen Zellen mit Blei, Nickel-Metallhydrid, Lithium, Lithium-Ionen. Bevorzugt ist die Anwendung bei Lithium-Ionen-Zellen vorgesehen, insbesondere im Kfz-Bereich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die zu prüfende galvanische Zelle 2 in verschiedenen Betriebszuständen zu bestrahlen bzw. zu durchstrahlen. Hierbei können chemische und/oder physikalische Daten der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 erfasst und überprüft werden, die möglicherweise nur im jeweiligen Betriebszustand auftreten und möglicherweise anderweitig nicht oder nur bedingt erfassbar sind. Die erfassten Daten können dann z.B. auf mögliche fehlerbedingte Überhitzungsprobleme hinweisen, die z.B. einen so genannten „thermal runaway" auslösen könnten. Unter einem „thermal runaway" wird ein selbstverstärkender Temperaturanstieg der galvanischen Zelle 2 verstanden, der bis zur Selbstentzündung und ggf. zur Explosion der galvanischen Zelle 2 führen kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle, wobei die wenigstens eine galvanische Zelle wenigstens zeitweise einer Untersuchung unterworfen wird, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der wenigstens einen galvanischen Zelle mit einem zerstörungsfreien Prüfverfahren erfolgt, dass mit der Untersuchung wenigstens ein Prüfergebnis ermittelt wird, und dass das wenigstens eine Prüfergebnis mit wenigstens einem ersten
Vergleichswert verknüpft wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine galvanische Zelle während der Untersuchung unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung erfolgt, wobei die wenigstens eine galvanische Zelle in wenigstens einer Richtung bestrahlt wird.
3. Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle, welche einen Elektrodenstapel mit wenigstens zwei flächigen Schichten aufweist, insbesondere wenigstens eine Anode, einen Separator und eine Kathode, wobei die wenigstens eine galvanische Zelle wenigstens zeitweise untersucht wird, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Untersuchung wenigstens ein Funktionsparameter zu wenigstens einer flächigen Schicht des Elektrodenstapels bestimmt wird, und dass der wenigstens eine Funktionsparameter mit wenigstens einem zweiten Vergleichswert verknüpft wird.
4. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Prüfergebnis und/oder der wenigstens eine Funktionsparameter gemeinsam mit einem Wert abgespeichert wird, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Untersuchung ist.
5. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Prüfergebnis und/oder der wenigstens eine Funktionsparameter gemeinsam mit einem Wert abgespeichert wird, welcher repräsentativ für die untersuchte galvanische Zelle der Batterie ist.
6. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine galvanische Zelle einer ersten Untersuchung und insbesondere mit einem vorbestimmten zeitlichen Abstand wenigstens einer zweiten Untersuchung unterworfen wird, und dass wenigstens ein Prüfergebnis bzw. wenigstens ein Funktionsparameter der wenigstens zwei Untersuchungen miteinander verknüpft werden (Vergleich und Prognose und Meldung).
7. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Prüfergebnis bzw. der wenigstens eine Funktionsparameter bildhaft dargestellt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine galvanische Zelle bei vorbestimmten Bedingungen der Batterie entnommen wird.
9. Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle, welche einen
Elektrodenstapel aufweist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie wenigstens zugeordnet sind: eine Messeinrichtung, welche vorgesehen ist, bei vorbestimmten Bedingungen wenigstens einen Messwert zu der wenigstens einen galvanischen Zelle bzw. deren Elektrodenstapel zu erfassen, eine Speichereinrichtung, welche vorgesehen ist, wenigstens einen Messwert abzuspeichern, insbesondere gemeinsam mit einem Wert, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Messung ist, und/oder eine Steuereinrichtung, welche vorgesehen ist, die wenigstens eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Messwertes anzusteuern.
10. Batterie gemäß Anspruch 9, wobei der Elektrodenstapel wenigstens einen Separator aufweist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator der wenigstens einen galvanischen Zelle bevorzugt aus einem stoffdurchlässigen Träger besteht, vorzugsweise teilweise stoffdurchlässig, also im Wesentlichen durchlässig in Bezug auf zumindest ein Material und im Wesentlichen undurchlässig in Bezug auf zumindest ein anderes Material, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET) aufweist, wobei das organische Material mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet ist, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von - 40° C bis 200° C ionenleitend ist, wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li ist, insbesondere Zirkonoxid und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist.
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