EP3602673A1 - Diagnose von batterien - Google Patents

Diagnose von batterien

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Publication number
EP3602673A1
EP3602673A1 EP18717252.3A EP18717252A EP3602673A1 EP 3602673 A1 EP3602673 A1 EP 3602673A1 EP 18717252 A EP18717252 A EP 18717252A EP 3602673 A1 EP3602673 A1 EP 3602673A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
waves
battery cell
transmitter
diagnostic device
battery
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Withdrawn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
EP18717252.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander GITIS
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.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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 Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP3602673A1 publication Critical patent/EP3602673A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/11—Analysing solids by measuring attenuation of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01M10/48—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
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/048—Transmission, i.e. analysed material between transmitter and receiver
    • 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 invention relates to a diagnostic device of critical
  • Batteries can be used in electronic devices such as telecommunications equipment (eg, cell phones, tablets, computers), transportation (such as cars, airplanes, boats), but also in non-portable devices such as back-up batteries for central power supplies.
  • telecommunications equipment eg, cell phones, tablets, computers
  • transportation such as cars, airplanes, boats
  • non-portable devices such as back-up batteries for central power supplies.
  • the cell may be due to aging
  • Degeneration mechanisms also get into critical states.
  • the critical state can lead to capacity losses, to increase the internal resistance, or to exothermic processes. These in turn can pose dangers not only to the equipment but also to people.
  • Recent examples are the battery problems in the Galaxy Note 7 from Samsung or the burning
  • state of charge SOC state of charge SOC
  • internal resistance of a battery By measuring electrical variables such as current and voltage, and from this the aging and health status
  • Volume waves have a low sensitivity to material changes and impurities that are critical for a critical state. The reason for this is the small size of a wave packet compared to the
  • a diagnostic device for determining critical changes in physical properties compared to a desired state in battery cells with a structure of several layers, wherein the layers are interconnected by a frictional connection, with at least one receiver and optionally in addition a transmitter for placement on Housing and / or cell contact of the battery cell, wherein the receiver is adapted to receive acoustic plate waves and / or acoustic torsional waves and a corresponding signal to an evaluation unit
  • transmit which is intended to evaluate one or more parameters that are characteristic of an actual state of the battery cell, and to compare them with at least one previously defined threshold, wherein an exceeding or falling below the threshold value as an identification of
  • the transmitter is adapted to the acoustic record waves and / or the acoustic
  • critical change of physical properties is understood to mean the achievement of a critical state in which, for example, the formation of gases and the pressure changes in the battery cells can lead to a defect or destruction of the battery, which usually results from a decomposition of the electrolyte in some gaseous components and
  • battery cells electrochemical cells, the electrical
  • Batteries in the sense of this invention are batteries with a construction of several layers, wherein the layers are connected to one another with a frictional connection. It belongs to it
  • sender or receiver any suitable transmitter and receiver for transmitting and receiving / receiving any type of acoustic plate wave and acoustic torsion wave.
  • acoustic plate wave and acoustic torsion wave include e.g. Wedge converters (angle probes in ultrasonic measurement), interdigital transducers with piezoelectric plates as well as certain laser excitations etc.
  • acoustic waves is meant a reproduction of local
  • Interfaces of the "plates" influenced.
  • the layers within the battery cells can be considered as such interfaces
  • Plate waves include Lamb waves, horizontally polarized shear waves (HPSW), and vertical polarized shear waves (VPSW), among others.
  • HPSW horizontally polarized shear waves
  • VPSW vertical polarized shear waves
  • Coordinate x stands for the main propagation direction of the incident wave along the layers.
  • the plane x-y denotes the plate plane, ie the plane of the layers in the plane
  • Lamb waves describe waves that have two propagation components, one of which extends in the propagation direction x (longitudinal) and the other perpendicular to it along the propagation component z (transverse).
  • the direction of propagation of the wave in the plane of the xy-plane is to be considered.
  • HPSW run horizontally in the plane of the plate (xy plane) perpendicular to the propagation direction along the propagation component y.
  • VPSW also run perpendicular to the propagation direction along component z, which is orthogonal to the plate plane (x-y plane). They are virtually out of the plate plane.
  • the difference to bulk waves is in the interface conditions.
  • the wave pattern “plate wave” is limited by at least two interfaces (the two faces of the "plate”) , also called wave modes, as at
  • Plate waves are treated here as synonyms.
  • Torsional waves also called cylinder waves, are understood to mean waves that start from a straight line in a homogeneous and isotropic medium. They expand similar to the Lamb waves, except that as interfaces
  • Cylinder jacket surfaces are considered instead of the plate surfaces.
  • cylinder waves can propagate in hollow cylinders or tubes.
  • HPSW and VPSW equivalent torsional waves are possible, the one
  • torsion waves like disk shafts, have a greater variety
  • guided ultrasonic waves the above-mentioned plate and torsion waves. These waves propagate within the individual layers in the battery cell; In other words, the waves are guided by the individual layers of the battery cell. Only in this way is it possible to couple the waves to the battery cell at a first location and to receive them at a second location of the battery cell such that the second location does not have to lie on the acoustic axis of the sensors. Because when the guided waves propagate along the individual layers that act as waveguides, they interact with the respective adjacent layers (adjacent layers of the battery cell). This interaction results in changes of the original ones
  • Battery states are impressed only in the volume of the battery cell, so that only volume waves can propagate in the electrochemical storage.
  • the present invention provides a much more precise and
  • an evaluation unit is understood to mean a processor, a chip, a server, any unit that is capable of implementing and executing a computer program in order to evaluate the measured parameters.
  • Parameter is anything that characterizes the measured signal. These include, among other things, the transit time and the amplitude of the signal. From these parameters it is also possible to determine the frequency spectrum, the amplitude of the amplitude amplitude or the amplitude amount, the short-time Fourier transformation (STFT), the wavelet transformation (WT) and the energy of the signal.
  • STFT short-time Fourier transformation
  • WT wavelet transformation
  • Wedge converters are a widespread, monomodal
  • Converter configuration with which the insonification angle can be controlled. In ultrasonic technology, this is often used in the form of angle probes.
  • These transducers consist of a wedge, which spans a wedge angle ⁇ between the upper wedge surface and the surface of the object to be measured, on which the wedge is mounted, and on whose upper side a piezoceramic is coupled.
  • the ceramic is designed as a plate or disc.
  • Piezoceramic excites a wave with a desired wavelength in the wedge.
  • the wedge ensures that this wave at a certain angle to the
  • Plate surface meets and there a harmonious, spatially limited
  • Induced strain distribution By reducing the shape of the strain distribution to the wavelength, e.g. a Lamb wave, this wave can be selectively excited and received.
  • the tuning of the wavelengths is done via the wedge angle a, which can be calculated using the law of refraction.
  • the wedge converter thus has the advantage that different types of waves can be controlled by a variation of the wedge angle.
  • the converter only transmits a unidirectional propagation field of Lamb waves, thereby
  • Reflections in the plate structure can be minimized.
  • Interdigital transducers are understood to mean mode-selective transducers whose operating principle is based on so-called surface acoustic wave filters which emit and receive Rayleigh waves and are used in telecommunications for frequency filtering.
  • the interdigital transducer is composed of two comb-like, interdigitated electrodes with different polarity.
  • the comb-like structure is disposed on electrodes parallel to the surface of the battery cell. Lamb waves propagate with comparatively large wavelengths, so that the electrodes must be made relatively long so that the electric field is generated in the thickness direction.
  • As a material for the interdigital transducer both piezoceramic plates and PVDF films are used.
  • the structured electrodes When applied flatly to the plate structure, the structured electrodes cause the transducers to induce a spatially varying, finite strain distribution on the plate surface.
  • the distances of the electrodes are tuned to the wavelength of a mode and the transducers are operated at one frequency, it is possible to to selectively stimulate or receive a particular mode. This ensures precise control of the desired shaft type (Lamb, HPSW, VPSW).
  • the diagnostic device provides a diagnostic capability that does not damage the battery during diagnosis and overcomes the disadvantages of the prior art.
  • Including the battery in the housing may be an obstacle to the attachment of external sensors. Therefore, it is desirable that the
  • Diagnostic device takes up as little space as possible. To save not only space, but also material, is in one embodiment of the
  • the transmitter is an interdigital transducer having comb-like interdigitated electrodes with spaces between the electrodes equal to a predetermined wavelength.
  • the flat shape of interdigital transducers allows to be mounted very space-saving to the housing of the battery cells.
  • the transmitter is a wedge converter wherein the angle of incidence of the transmitter is selected so that the incident wave is refracted at a 90 ° angle in the wave propagation direction and thus transmits into the layers of the battery cell.
  • the angle of incidence of the transmitter is selected so that the incident wave is refracted at a 90 ° angle in the wave propagation direction and thus transmits into the layers of the battery cell.
  • Wedge converters also called angle probes, are conventionally used in the
  • Ultrasonic measuring technology have the advantage of variable designs and sizes. Also, these, which are determined by a fixed wavelength, can be set very easily at the desired angle. Thus, the
  • the transmitter is an ultrasonic sensor.
  • Ultrasonic sensors are known to be suitable for elastic waves
  • the head of the sensor emits an ultrasonic wave, which comes from all positions of the battery cell (including housing depending on where the
  • Ultrasonic sensor be the same ultrasonic element for transmitting and receiving.
  • the ultrasonic waves are alternately transmitted from and to a single oscillator
  • the sensor head can be kept very small.
  • Other transmitters that can be used instead of ultrasonic sensors are piezoelectric ceramics and PVDF piezoelectric films.
  • the ultrasonic sensor excites with the aid of at least one piezoelectric element and / or at least one electromagnetic acoustic transducer and / or one or more laser excitations and / or at least one interdigital transducer
  • Piezoelectric ceramics or foils are very good electromechanical couplings. Together with electromagnetic acoustic transducers they generate a good relationship between
  • the transmitter is a piezoelectric thickness or shear oscillator to be applied under adhesion to the battery cell.
  • Acoustic record waves and torsion waves can be through directly under The propagation of the waves in the longitudinal direction of the individual battery layers is carried out by the transverse contraction, which is described with by transverse contraction number (Poisson's number), on the battery cell applied piezoelectric thickness and shear oscillator.
  • Poisson's number transverse contraction number
  • Battery cell to lie, whereby the volume of a battery cell with transmitter hardly differs from the volume of only one battery cell without a sensor.
  • the plate waves excited by the various embodiments are either lamb waves, horizontally polarized shear waves or vertically polarized shear waves. Disk shafts are not mistaken with
  • wave wave volume wave is not limited by any interfaces and can unfold freely in the medium and the wave type surface wave is limited only by an interface
  • the wave type plate wave is limited by at least two interfaces (the two faces of the plate). This results in plate waves much more different and differentiated propagation possibilities than at
  • Plate waves are treated as synonyms here.
  • the characterizing polarization directions of the Lamb waves, HPSW and VPSW enable the detection of different impurities in the material.With the selection of one of these wave types as the main excitation, a specific type of defect can be accurately and precisely measured can in turn lead to a targeted and accurate diagnosis of a defect in the battery cell.
  • the excited plate waves may be any combination of Lamb waves, horizontally polarized shear waves and vertically polarized
  • Overall state of the battery can be determined because various physical effects can be identified in a measurement.
  • the excitation of the plate waves and / or torsional waves takes place continuously or in pulse form.
  • continuous excitation it is possible to detect (immediately) changes in physical properties in real time.
  • this suggestion has the disadvantage that steady energy consumption is necessary.
  • a pulse-shaped excitation is sent selectively, which makes the diagnostic device more energy efficient. In this case, the pulsed excitation in the considered time ranges can meet the required real-time criteria.
  • the transmitter is equipped to
  • Low-frequency waves are less damped by the individual layers and thus have a high amplitude during the measurement. However, due to the reflection at the interfaces (layers), these have weaker interaction with possible impurities. This in turn leads to less sensitivity to errors in the material as opposed to high frequency waves.
  • High frequency waves start at one MHz. These are more dampened, but have much better sensitivity with respect to the detection of defects in the material. Especially a combination of both can be specifically used to obtain more accurate diagnoses.
  • the low-frequency waves interact in another way with possible changes in the battery cell as high-frequency waves. This generally leads
  • the excitation consists of a
  • Frequency spectrum with different frequencies This allows a closer examination of the battery cell, as different frequencies can detect different defects.
  • a battery system with diagnostic function comprising a battery cell with a structure of several layers, wherein the layers are interconnected by a frictional connection, and a diagnostic device according to claim 1 for determining critical changes in physical properties against a target Condition in battery cells, with at least one receiver and possibly also a transmitter, for arrangement on the housing and / or cell contact the
  • the receiver is adapted to receive acoustic plate waves and / or acoustic torsional waves and to transmit a corresponding signal to an evaluation unit, which is intended to evaluate one or more parameters that are characteristic of an actual state of the battery cell, and to compare these with at least one previously defined threshold, wherein exceeding or falling below the threshold value as an identification of battery cells with critical change their
  • Transmitter diagnostic device is adapted to excite the acoustic plate waves and / or the torsional acoustic waves in the battery cell with a propagation direction along the layers.
  • the use of the battery system offers many advantages.
  • the battery cells can eg from the production on your aging or health status to be monitored. The same applies to battery modules and battery packs. It is possible during monitoring to detect the electrical and thermal parameters (such as cell temperature). From the measured parameters, the state of the battery cells can be determined with the aid of algorithms. When exceeding or falling below certain thresholds, such as
  • a critical condition can be detected early. Thereafter, appropriate active and passive countermeasures can be taken to minimize hazards and losses.
  • At least one of the transmitters and at least one of the receivers are arranged on a same battery cell side. As the "same" battery cell side applies, if the shortest distance between (at least) two places, for sending and receiving
  • the amplitude of the measurement signal increases because the impurity, e.g. a bubble of gas that reflects the wave back again.
  • Exceeding a threshold value is therefore an indicator of a physical change, e.g. in the form of a glass bubble, in the battery cell.
  • At least one of the transmitters and at least one of the receivers are at different
  • Battery cell sides arranged.
  • the term "different" battery cell sides applies when the shortest distance between (at least) two locations selected for transmission and reception passes through several layers, due to the frictional connection between the layers in the battery cell
  • Battery cell be. Sender and receiver are preferably not opposite, but offset in the direction of propagation of the wave at the
  • the receiver which is offset from the transmitter (for example, on the other side), receives a weakened signal because energy is reflected by the trapped gas toward the transmitter.
  • At least one of the transmitters and at least one of the receivers are arranged on the same cell contact or on different cell contacts.
  • the cell contact is the "same" cell contact, if it is the same pole of a battery cell.
  • Cell contacts are “different” cell contacts when the sensors are on
  • the environment for embedding the battery makes it difficult to attach sensors to the battery cell sides.
  • the sensors are attached to the cell contacts of the battery.
  • the measured signal can also provide information about the adhesion of the coating of the electrodes inside the battery cell.
  • the invention further relates to a method for diagnosing changes in physical properties with respect to a desired state of battery cells having a structure of a plurality of layers, the layers being interconnected by a frictional connection
  • Threshold as identification of battery cells with change in physical properties.
  • the method also provides the possibility of material properties of
  • Derive battery cell include: the average pressure inside the cell, modulus of elasticity, shear modulus, density, layer height, solid to liquid phase transitions, liquid to solid, solid to gaseous, liquid to gaseous and gaseous to liquid.
  • changes in the mechanical structure can be detected, such as the delamination between
  • various layers of the battery such as active material and arrester and / or the delamination of the contact lugs (cell contacts) and / or the delamination of individual layers of the contact lug.
  • transmitter and receiver are preferably not opposite, but offset in the propagation direction of the shaft to the battery cell.
  • Parameter amplitude and duration of the signal includes. These received signals can be evaluated with different methods. It is possible to use both analog and digital filters. From the
  • Measurement signals can be, inter alia, the energy, the frequency, the integral of the amplitude square or the amplitude amount, the frequency spectrum of the entire signal by the Fourier transform or the fast Fourier transformation, the frequency spectrum in the individual areas through the
  • Short-term Fourier transform which determines the pulse spectrum in the individual regions of the signal by the wavelet transformation.
  • the mathematical methods for the various transformations / methods may be a combination of different window functions, such as e.g. Rectangle windows, Von-Hann windows, Hamming windows, Gaussian windows, Blackman windows, Blackman-Harris windows, Blackman-Nuttal windows, Flat-top windows, Bartlett windows, Bartlett-Hann windows, Cosine window, Tukey window,
  • the obtained measurement results can be stored and a change of the measurement results over time can be compared with each other. These can be evaluated with stochastic methods to evaluate the change in the physical properties of a battery cell over time.
  • One embodiment of the method is the generation of a prognosis of the physical changes, preferably temperature changes, in the battery cell in the future by evaluating the parameters over time.
  • the state of charge of Battery cell determined by the ultrasonic signals with the electric
  • Measuring signals are correlated.
  • FIG. 1 Battery system with diagnostic function, comprising a battery cell with a construction of several layers and the diagnostic device according to the invention.
  • Fig.2 Diagnostic device for determining critical changes in physical properties against a desired state in battery cells.
  • Fig. 4 interdigital transducer with comb-like electrodes.
  • Fig. 5 Method for diagnosing change of physical
  • Fig.6 Course of a measurement signal measured using the
  • Fig. 1 shows a battery system 50 with diagnostic function comprising a
  • Battery cell 12 having a structure of a plurality of layers 14, wherein the layers 14 are interconnected by a frictional connection, and a
  • the diagnostic system 10 for determining critical changes in physical properties compared to a desired state in battery cells 12.
  • the battery system 50 includes at least one receiver 18 and optionally additionally a transmitter 16, for placement on the housing 20 and / or cell contact 22 of the battery cell 12.
  • the receiver 18 is adapted to receive acoustic plate waves 24 and / or acoustic torsional waves 26 and to deliver a corresponding signal 28 to an evaluation unit 30 to transfer.
  • the evaluation unit 30 is provided for evaluating one or more parameters 32 that are characteristic of an actual state of the battery cell 12 and that have at least one previously defined one
  • Threshold 34 to compare. In this case, exceeding or falling below the threshold value 34 as identification of battery cells with critical
  • the transmitter 16 can also be the receiver 18 at the same time. Furthermore, in the case of a battery system with transmitter 16, at least one of the transmitters and at least one of the receivers may be arranged on a same battery cell side 42, 20. Also, at least one of the transmitters and at least one of the receivers may be arranged on different battery cell sides 42, 20. Thus, the propagation parameters of the plate wave and / or
  • Torsional waves are also measured by the individual cell layers.
  • at least one of the transmitters and at least one of the receivers may be disposed on a same cell contact 22 or on different cell contacts 22.
  • at least one of the transmitters on a battery cell side 42, 20 and at least one of the receivers may be mounted on a cell contact 22 and vice versa.
  • FIG. 2 shows a diagnostic device 10 for determining criticality
  • the diagnostic device 10 includes at least one receiver 18 and, optionally, additionally a transmitter 16, for placement on the housing 20 and / or cell contact 22 of the battery cell 12.
  • the receiver 18 is adapted to receive acoustic plate waves 24 and / or acoustic torsional waves 26 and a corresponding one Signal 28 to transmit to an evaluation unit 30.
  • the evaluation unit 30 is intended to evaluate one or more parameters 32, the
  • the transmitter 16 is adapted to the acoustic plate waves 24 and / or the acoustic
  • the transmitter 16 can simultaneously also the
  • Be recipient 18 The transmitter 16, 18 an interdigital transducer 36 with
  • the transmitter 16, 18 is a wedge transducer 40, the transmitter 16, 18, 40 being oriented to penetrate the sheets 14 at a critical angle
  • Battery cell 12 can send.
  • the transmitter 16, 18, 36, 40 can a
  • the ultrasonic sensor can with the help of at least one piezoelectric element and / or at least one
  • Disk shafts 24 may be either lamb waves or horizontally polarized shear waves or vertically polarized shear waves, or any combination of Lamb waves, horizontally polarized shear waves, and vertically polarized shear waves. The excitation of the plate shafts 24 and / or
  • Torsionswellen 26 can be continuous or pulsed.
  • the transmitter 16, 18, 36, 40 may further be equipped so that plate waves 24 and / or torsional waves 26 having a frequency of 100 kHz to 10 MHz in the
  • the wedge converter 40 consists of a wedge which has a wedge angle ⁇ between the upper wedge surface 48 and the surface of the object to be measured, on which the wedge is mounted, spans and on the upper side of which a piezoceramic is coupled.
  • the ceramic is designed as a plate or disc.
  • the piezoceramic excites a wave with a desired wavelength in the wedge.
  • the wedge ensures that this wave hits the plate surface at a certain angle and induces a harmonic, spatially limited strain distribution. By tuning the shape of the strain distribution to the wavelength, eg a Lamb wave, this wave type can be selectively excited and received.
  • Tuning of the wavelengths is done via the wedge angle a, which can be calculated using the law of refraction.
  • Lamb waves can be used to vibrate and excite HPSW and VPSW shakers.
  • Fig. 4 shows an interdigital transducer 36 as a transmitter 16, 18, 36, 40 with comb-like, interdigitated electrodes 38 with different polarity, the distances between the electrodes 38 may have a predetermined wavelength.
  • the comb-like structure is arranged on electrodes 38 parallel to the surface of the battery cell 12.
  • the interdigital transducer 36 both piezoceramic plates and PVDF films are used.
  • the structured electrodes 38 When applied flatly to the plate structure, the structured electrodes 38 cause the transducers 36 to induce a spatially varying, finite strain distribution on the plate surface.
  • the pitches of the electrodes 38 are tuned to the wavelength of one mode and the transducers 36 are operated at one frequency, it is possible to selectively excite a particular mode.
  • FIG. 5 shows a method 100 for diagnosing changes in physical properties compared with a desired state of battery cells 12 with a Structure of several layers 14, wherein the layers 14 are interconnected by a frictional connection.
  • the method comprises placing 1 10 of at least one receiver on the housing and / or cell contact of the battery cell, receiving 130 acoustic disk waves and / or acoustic
  • Torsionswellen by the receiver a transmission 140 of a corresponding signal by the receiver to an evaluation, an evaluation 150 of one or more parameters that characterize an actual state of the
  • evaluated parameters with at least one predefined threshold value and a value 170 of exceeding or falling below the
  • At least one transmitter for exciting 120 acoustic disk waves and / or torsion waves in the battery cell with a propagation direction along the layers, which is arranged on the housing and / or cell contact of the battery cell include.
  • the evaluation 150 of the parameters 32 may include an amplitude 44, 32 and a delay 46, 32 of a signal 28. Furthermore, a
  • Forecast 180 of the physical changes of the battery cell in the future may be created by evaluating the parameters 32 over time.
  • FIG. 6 shows the course of a measuring signal measured using the diagnostic device 10 according to the invention and using the measuring device according to the invention
  • the parameter amplitude (both positive and negative) 44, 32 can be defined as threshold value 34.
  • Run time 46, 32 is referred to as the time it takes for the sent signal to reach the receiver.
  • Threshold values 180 Creating a Prediction of Physical Changes in the Battery Cell ⁇ Wedge Angle

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diagnosevorrichtung (10) von kritischen Veränderungen, insbesondere Druckveränderungen, Gasentwicklung und Temperaturveränderungen, in Batterien mit mehrlagigen Strukturen, auf ein Batteriesystem (50) mit einer solchen Diagnosevorrichtung (10) und auf ein Verfahren (100) zur Diagnose von kritischer Veränderung solcher Batterien mit der Diagnosevorrichtung. Dabei wird eine Diagnosevorrichtung (10) zur Bestimmung von kritischen Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-Zustand in Batteriezellen (12) mit einem Aufbau aus mehreren Lagen (14), wobei die Lagen (14) durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, mit mindestens einem Empfänger (18) und gegebenenfalls zusätzlich einem Sender (16) zur Anordnung am Gehäuse (20) und/oder Zellkontakt (22) der Batteriezelle (12), wobei der Empfänger (18) dazu geeignet ist, akustische Plattenwellen (24) und/oder akustische Torsionswellen (26) zu empfangen und ein entsprechendes Signal (28) an eine Auswerteeinheit (30) zu übermitteln, die dafür vorgesehen ist, ein oder mehrere Parameter (32) auszuwerten, die charakterisierend für einen Ist-Zustand der Batteriezelle (12) sind, und diese mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert (34) zu vergleichen, wobei ein Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellwerts (34) als Identifikation von Batteriezellen mit kritischer Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften gewertet wird, wobei im Falle der Diagnosevorrichtung mit Sender der Sender (16) dazu geeignet ist, die akustischen Plattenwellen (24) und/oder die akustischen Torsionswellen (26) in der Batteriezelle (12) mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen (14) anzuregen, zur Verfügung gestellt.

Description

Diagnose von Batterien
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Diagnosevorrichtung von kritischen
Veränderungen, insbesondere Druckveränderungen, Gasentwicklungen und Temperaturveränderungen, in Batterien mit mehrlagigen Strukturen, auf ein Batteriesystem mit einer solchen Diagnosevorrichtung und auf ein Verfahren zur Diagnose von kritischer Veränderung solcher Batterien mit der
Diagnosevorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Die Verwendung von elektrischen bzw. elektronischen Geräten, insbesondere portablen Geräten, ist oft abhängig von elektrochemischen Zellen als Stromversorgung, sogenannte„Batteriezellen" bzw.„Batterien". Batterien können in elektronischen Geräten wie Telekommunikationsgeräten (beispielsweise Handys, Tablets, Computer), Transportmitteln (beispielsweise Autos, Flugzeuge, Boote), aber auch in nicht-portablen Geräten, wie Back-up Batterien für zentrale Stromversorgungen, eingesetzt werden.
Aufgrund von äußeren Betriebsbedienungen von Batteriezellen, wie zu hohe Stromstärken, zu hohe mechanische Kräfte auf das Zellgehäuse oder auf die Kontakte, Überladen oder Tiefentladen bzw. zu hohe und zu niedrige
Zellspannung, oder zu hohe und zu niedrige Zelltemperaturen verschiebt sich das elektrochemische Gleichgewicht in der Zelle und die Zelle kann in einen
kritischen Zustand geraten. Zudem kann die Zelle durch alterungsbedingte
Degenerationsmechanismen ebenfalls in kritische Zustände geraten. Der kritische Zustand kann zu Kapazitätsverlusten, zur Erhöhung des Innenwiderstands, oder zu exothermen Prozessen führen. Diese können wiederum Gefahren nicht nur für die Geräte, sondern auch für Personen darstellen. Jüngere Beispiele sind die Batterieprobleme im Galaxy Note 7 von Samsung oder das brennende
Batteriepack im Boeing 787 Dreamliner. Eine frühzeitige Detektion ist daher wünschenswert, um Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, bevor diese
Batterien eine Gefahr darstellen.
Es ist bekannt, durch Messung elektrischer Größen, wie Strom und Spannung, den Ladezustand (sogenannter State of Charge SOC) und Innenwiderstand einer Batterie zu messen und daraus den Alterungs- und Gesundheitszustand
(sogenannter State of health SOH) zu schätzen. Zudem werden invasive
Verfahren eingesetzt, um Erkenntnisse über die chemische Zusammensetzung und die Konstruktion der Zelle zu gewinnen. Die damit verbundenen Eingriffe lassen die Batterie vorzeitig altern oder führen zu einer direkten Zerstörung. Nicht-invasive Verfahren wurden daraufhin entwickelt, die durch Senden und Empfangen von akustischen Volumenwellen den Ladezustand und
möglicherweise den Zustand der Batterie ermitteln. Der Hauptnachteil der oben genannten Methode ist, dass die gemessenen
Volumenwellen eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Materialveränderungen und Störstellen aufweisen, die für einen kritischen Zustand maßgebend sind. Der Grund dafür ist die geringe Größe eines Wellenpakets gegenüber der
Batteriezelle und damit einhergehend eine geringe Interaktionsfläche. Somit ist eine große Störstelle (physikalische Veränderung, oder Gasmenge) notwendig, um eine signifikante Veränderung des Messsignals, also Störstellen, zu erhalten. Somit ist diese Methode unempfindlich und fehleranfällig gegenüber kleinen Störstellen, die jedoch für die Lebensdauer bzw. den Zustand der Batteriezelle kritisch sein können.
Es wäre daher wünschenswert, eine Diagnosemöglichkeit zur Verfügung zu haben, die die Batteriezelle nicht beschädigt und nicht die Nachteile des Stands der Technik aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Diagnosemöglichkeit zur Verfügung zu haben, die die Batteriezelle nicht beschädigt und die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Diagnosevorrichtung zur Bestimmung von kritischen Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll- Zustand in Batteriezellen mit einem Aufbau aus mehreren Lagen, wobei die Lagen durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, mit mindestens einem Empfänger und gegebenenfalls zusätzlich einem Sender zur Anordnung am Gehäuse und/oder Zellkontakt der Batteriezelle, wobei der Empfänger dazu geeignet ist, akustische Plattenwellen und/oder akustische Torsionswellen zu empfangen und ein entsprechendes Signal an eine Auswerteeinheit zu
übermitteln, die dafür vorgesehen ist, ein oder mehrere Parameter auszuwerten, die charakterisierend für einen Ist-Zustand der Batteriezelle sind, und diese mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert zu vergleichen, wobei ein Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellwerts als Identifikation von
Batteriezellen mit kritischer Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften gewertet wird, wobei im Falle der Diagnosevorrichtung mit Sender der Sender dazu geeignet ist, die akustischen Plattenwellen und/oder die akustischen
Torsionswellen in der Batteriezelle mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen anzuregen.
Unter dem Begriff„kritische Veränderung physikalischer Eigenschaften" versteht man das Erreichen eines kritischen Zustands, bei dem z.B. die Bildung von Gasen und die Druckveränderungen in den Batteriezellen zu einem Defekt bzw. einer Zerstörung der Batterie führen können. Diese entstehen meistens durch eine Zersetzung des Elektrolyten in zum Teil gasförmige Bestandteile und
Reaktionsprodukte in der Batteriezelle, welche in der frühen Phase weder thermisch noch elektrisch detektierbar sind. Diese gasförmigen Bestandteile und Reaktionsprodukte sind einerseits hochentzündlich und andererseits führen sie zu einer Druckerhöhung innerhalb der Batteriezelle und diese wiederum zu mechanischen Spannungen im Zellgehäuse, da die Batteriezelle von einem gasdichten Zellgehäuse umgeben ist, woraus die Gase nicht entweichen können. Dies kann je nach Gehäuseart und Verspannung der Batteriezelle im Batteriesystem zu einer starken oder schwachen Verformung des Zellgehäuses führen, welches allgemein als„Aufblähen" bezeichnet wird. Weiterhin können Alterungsmechanismen Ursache für Elektrolytzersetzungen sein, die zu kritischen Veränderungen führen. Auch bei internen Kurzschlüssen, die unter anderen durch mechanische Einwirkungen oder durch metallische Lithiumdendriten entstehen, kann sich die Batteriezelle kritisch verändern.
Unter Batteriezellen versteht man elektrochemische Zellen, die elektrische
Energie speichern und zur Verfügung stellen können. Batterien im Sinne dieser Erfindung sind Batterien mit einem Aufbau aus mehreren Lagen, wobei die Lagen mit einem Kraftschluss miteinander verbunden sind. Es gehören dazu
handelsübliche Batterien wie z.B. Lithium Ionen Batterien, Nickel-Metallhydrid- Akkumulatoren (NiMH) und elektrochemische Kondensatoren. Unter Sender, bzw. Empfänger versteht man jegliche geeignete Sender und Empfänger zum Senden und Aufnehmen/Empfangen von jeglicher Art von akustischen Plattenwellen und akustischen Torsionswellen. Darunter fallen z.B. Keilwandler (Winkelprüfköpfe in der Ultraschallmesstechnik), Interdigitalwandler mit piezoelektrischen Platten sowie bestimmte Laseranregungen etc.
Unter„akustischen Wellen" versteht man eine Fortpflanzung von lokalen
Druckstörungen und Partikelverschiebungen in einem elastischen Medium.
Akustische Plattenwellen werden im Gegensatz zu akustischen Volumenwellen, die ein unbeschränktes Ausbreitungsmedium voraussetzen, durch die
Grenzflächen der„Platten" beeinflusst. Die Lagen innerhalb der Batteriezellen können als solche Grenzflächen angesehen werden. Zu akustischen
Plattenwellen gehören unter anderem Lamb-Wellen, horizontal polarisierte Scherwellen (HPSW) und vertikal polarisierte Scherwellen (VPSW). Für die Differenzierung zwischen den verschiedenen Wellenarten werden Koordinaten für die verschiedenen Wellenkomponenten definiert. Koordinate x steht für die Hauptausbreitungsrichtung der eingestrahlten Welle entlang der Lagen. Die Ebene x-y bezeichnet die Plattenebene, also die Ebene der Lagen in der
Batteriezelle. Senkrecht zu der x-y-Ebene befindet sich die Ausbreitungsrichtung z. Lamb-Wellen beschreiben Wellen, die zwei Ausbreitungskomponenten besitzen, von denen die eine in die Ausbreitungsrichtung x (longitudinal) und die andere senkrecht dazu entlang der Ausbreitungskomponente z (transversal) verläuft. Dabei ist die Ausbreitungsrichtung der Welle in der Ebene der x-y-Ebene anzusehen. HPSW verlaufen horizontal in der Plattenebene (x-y-Ebene) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung entlang der Ausbreitungskomponente y.
Diese kann als Transversalwelle beschrieben werden. VPSW verlaufen auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung entlang der Komponente z, welche orthogonal zur Plattenebene (x-y-Ebene) verläuft. Sie verlaufen quasi aus der Plattenebene heraus.
Der Unterschied zu Volumenwellen liegt in den Grenzflächenbedingungen.
Während die Wellenart„Volumenwelle" nicht durch Grenzflächen beschränkt wird und sich im Medium frei entfalten kann, wird die Wellenart„Plattenwelle" durch mindestens zwei Grenzflächen (der beiden Flächen der„Platte") eingeschränkt. Dadurch entstehen bei Plattenwellen viel mehr verschiedene und differenziertere Ausbreitungsmöglichkeiten, auch als Wellenmodi bezeichnet, als bei
Volumenwellen, welches bei der Detektierung von Störstellen in den
Batteriezellen von enormem Vorteil ist. „Akustische Plattenwellen" und
„Plattenwellen" werden hier als Synonyme behandelt.
Unter Torsionswellen, auch Zylinderwellen genannt, versteht man Wellen, die von einer Geraden in einem homogenen und isotropen Medium ausgehen. Sie breiten sich ähnlich wie die Lamb-Wellen aus, nur dass als Grenzflächen die
Zylindermantelflächen anstatt der Plattenflächen betrachtet werden. Zudem können Zylinderwellen sich in Hohlzylindern bzw. Röhren ausbreiten. Auch sind dem HPSW und VPSW äquivalente Torsionswellen möglich, die eine
Komponente senkrecht zur Ausbreitungsrichtung haben. Dadurch verfügen Torsionswellen, genau wie Plattenwellen, über eine größere Vielfalt an
Ausbreitungsrichtungen als Volumenwellen und sind daher besser geeignet Störstellen in der Batteriezelle zu detektieren.„Akustische Torsionswellen" und „Torsionswellen" bzw.„Zylinderwellen" werden hier als Synonyme behandelt. Im Gegensatz zum Stand der Technik beruht die vorliegende Erfindung
wesentlich auf geführten Ultraschallwellen (die oben genannten Platten- und Torsionswellen). Diese Wellen breiten sich innerhalb der einzelnen Lagen in der Batteriezelle aus; mit anderen Worten, die Wellen werden von den einzelnen Lagen der Batteriezelle geführt. Nur dadurch ist es möglich, die Wellen an einem ersten Ort an der Batteriezelle einzukoppeln und an einem zweiten Ort der Batteriezelle so zu empfangen, dass der zweite Ort nicht auf der akustischen Achse der Sensoren liegen muss. Denn wenn sich die geführten Wellen entlang der einzelnen Lagen, die als Wellenleiter fungieren, ausbreiten, interagieren sie mit den jeweils angrenzenden Schichten (benachbarte Lagen der Batteriezelle). Diese Interaktion resultiert in Veränderungen der ursprünglichen
Ausbreitungsparameter, die dann erfasst und ausgewertet werden können. Im Stand der Technik werden ausschließlich Wellen zur Detektion der
Batteriezustände nur in das Volumen der Batteriezelle eingeprägt, sodass sich nur Volumenwellen in dem elektrochemischen Speicher ausbreiten können.
Demnach bietet die vorliegende Erfindung eine viel präzisere und
richtungsunabhängigere Art Zustände und Veränderungen in Batteriezellen zu vermessen. Unter einer Auswerteeinheit versteht man beispielsweise einen Prozessor, einen Chip, einen Server, jegliche Einheit, die dazu fähig ist, ein Computerprogramm zu implementieren und auszuführen, um die gemessenen Parameter auszuwerten.
Unter Parameter versteht man alles, was charakterisierend ist für das gemessene Signal. Dazu gehören unter anderem die Laufzeit und die Amplitude des Signals. Aus diesen Parametern kann man weiterhin das Frequenzspektrum, das Integral des Amplitudenquadrats bzw. des Amplitudenbetrags, die Short-Time-Fourier- Transformation (STFT), die Wavelet Transformation (WT) und die Energie des Signals bestimmen.
Unter Keilwandler versteht man eine weitverbreitete, monomodale
Wandlerkonfiguration, mit der der Einschallwinkel kontrolliert werden kann. In der Ultraschalltechnik wird diese in Form von Winkelprüfköpfen vielfach genutzt. Diese Wandler bestehen aus einem Keil, der einen Keilwinkel α zwischen der oberen Keilfläche und der Fläche des zu messenden Gegenstandes, an dem der Keil angebracht ist, aufspannt und an dessen Oberseite eine Piezokeramik angekoppelt ist. Die Keramik ist als Platte oder Scheibe ausgeführt. Die
Piezokeramik regt eine Welle mit einer gewünschten Wellenlänge im Keil an. Der Keil sorgt dafür, dass diese Welle unter einem bestimmten Winkel auf die
Plattenoberfläche trifft und dort eine harmonische, räumlich begrenzte
Dehnungsverteilung induziert. Indem die Form der Dehnungsverteilung auf die Wellenlänge, z.B. einer Lamb-Welle, abgestimmt wird, kann diese Wellenart selektiv angeregt und empfangen werden. Die Abstimmung der Wellenlängen geschieht dabei über den Keilwinkel a, der mithilfe des Brechungsgesetzes berechnet werden kann.
Der Keilwandler hat somit den Vorteil, dass sich verschiedene Wellenarten durch eine Variation des Keilwinkels ansteuern lassen. Außerdem sendet der Wandler nur ein unidirektionales Ausbreitungsfeld von Lamb-Wellen aus, wodurch
Reflexionen in der Plattenstruktur minimiert werden können.
Unter Interdigitalwandler versteht man modenselektive Wandler, deren Funktionsprinzip auf sogenannten akustischen Oberflächenwellenfiltern, welche Rayleighwellen aussenden und empfangen, basieren und in der Telekommunikation zur Frequenzfilterung eingesetzt werden. Der Interdigitalwandler setzt sich aus zwei kammartigen, ineinandergreifenden Elektroden mit unterschiedlicher Polarität zusammen. In der vorliegenden Erfindung wird die kammartige Struktur an Elektroden parallel zur Oberfläche der Batteriezelle angeordnet. Lamb-Wellen breiten sich mit vergleichsweise großen Wellenlängen aus, sodass die Elektroden relativ lang ausgeführt werden müssen damit das elektrische Feld in Dickenrichtung erzeugt wird. Als Material für die Interdigitalwandler kommen sowohl piezokeramische Platten als auch PVDF-Folien zum Einsatz. Flächig auf die Plattenstruktur appliziert bewirken die strukturierten Elektroden, dass die Wandler eine räumlich variierende, endliche Dehnungsverteilung an der Plattenoberfläche induzieren. Wenn die Abstände der Elektroden auf die Wellenlänge eines Modes abgestimmt und die Wandler bei einer Frequenz betrieben werden, ist es möglich, einen bestimmten Mode selektiv anzuregen bzw. zu empfangen. Dies gewährleistet die präzise Ansteuerung von der gewünschten Wellenart (Lamb, HPSW, VPSW).
Die Diagnosevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine Diagnosemöglichkeit zur Verfügung, mit der die Batterie während der Diagnose nicht beschädigt wird und die die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Bei der Benutzung von Batterien kann oft ein beschränkter Stauraum zur
Aufnahme der Batterie in das Gehäuse ein Hindernis für die Anbringung von externen Sensoren sein. Daher ist es wünschenswert, dass die
Diagnosevorrichtung so wenig Platz beansprucht wie möglich. Um nicht nur Platz, sondern auch Material zu sparen, ist in einer Ausführungsform der
Sender auch der Empfänger. In diesem Fall durchquert die Welle eine
maximale Distanz vom Sender zurück zum Empfänger, welches bedeutet dass die Wellenpakete eine große Interaktionsfläche haben und welches zu einem signifikanten Veränderung des Messsignal führt.
In einer Ausführungsform ist der Sender ein Interdigitalwandler mit kammartigen, ineinandergreifenden Elektroden mit Abständen zwischen den Elektroden gleich einer vorbestimmten Wellenlänge. Die flache Form von Interdigitalwandlern erlaubt es sehr platzsparend an das Gehäuse der Batteriezellen angebracht zu werden.
In einer Ausführungsform ist der Sender ein Keilwandler wobei der Einfallswinkel des Senders so gewählt ist, dass die einfallende Welle in einem 90° Winkel in Wellenausbreitungsrichtung gebrochen wird und so in die Lagen der Batteriezelle sendet. Im Allgemeinen existieren zwei kritische Winkel, einer für
Longitudinalwellen und einer für Transversalwellen. Auch abweichende Winkel sind möglich, weil die Wellen in den Lagen der Batteriezelle weniger effektiv angeregt werden. Gleiches gilt auch für Keilwandler als Empfänger. Diese
Keilwandler, auch Winkelprüfköpfe genannt, werden herkömmlich in der
Ultraschallmesstechnik angewandt und haben den Vorteil von variablen Bauformen und Größen. Auch können diese, die durch eine feste Wellenlänge bestimmt sind, sehr leicht auf dem gewünschten Winkel eingestellt werden. Somit ist die
Anregung von allen akustischen Wellenarten nur mit einem Sender möglich. Der kritische Winkel kann durch das Snelliusche Gesetz bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sender ein Ultraschallsensor.
Ultraschallsensoren sind bekanntlich dafür geeignet, elastische Wellen
anzuregen und zu empfangen. Sie detektieren den gewünschten Abstand mithilfe von Ultraschallwellen. Der Kopf des Sensors gibt eine Ultraschallwelle aus, die von allen Lagen der Batteriezelle (inklusiv. Gehäuse je nachdem wo sich der
Sensor befindet) zurückreflektiert wird. Die Zeit zwischen Senden und Empfangen der Ultraschallwelle wird gemessen. In Gegensatz zu einem optischen Sensor, der über einen Sender und einen separaten Empfänger verfügt, kann der
Ultraschallsensor dasselbe Ultraschallelement zum Senden und Empfangen sein. Bei einem Ultraschallsensor des Reflexionstyps werden die Ultraschallwellen von einem einzelnen Oszillator abwechselnd gesendet und wieder von ihm
empfangen. Dadurch kann der Sensorkopf sehr klein gehalten werden. Andere Sender, die an Stelle von Ultraschallsensoren verwendet werden können sind, piezoelektrische Keramiken und piezoelektrischen Folien aus PVDF.
In einer weiteren Ausführungsform regt der Ultraschallsensor mit Hilfe von mindestens einem piezoelektrischen Element und/oder von mindestens einem elektromagnetischen akustischen Wandler und/oder von ein oder mehreren Laseranregungen und/oder von mindestens einem Interdigitalwandler die
Plattenwellen und/oder Torsionswellen an. Dabei weisen piezoelektrische
Elemente, welche z.B. piezoelektrische Keramiken oder Folien sind, sehr gute elektromechanische Kopplungen auf. Zusammen mit elektromagnetischen akustischen Wandlern generieren diese ein gutes Verhältnis zwischen
elektrischem Spannungsinput und mechanischem Spannungsout und umgekehrt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sender ein unter Kraftschluss auf die Batteriezelle aufzubringender piezoelektrischer Dicken- oder Scherschwinger. Akustische Plattenwellen und Torsionswellen können durch direkt unter Kraftschluss auf die Batteriezelle aufgebrachte piezoelektrische Dicken- und Scherschwinger angeregt werden, Die Ausbreitung der Wellen in Längsrichtung der einzelnen Batterielagen erfolgt durch die Querkontraktion, welche mit durch Querkontraktionszahl (Poissonzahl), beschrieben wird.
Eine Laseranregung und elektromagnetische akustische Wandler ermöglichen eine berührungslose Anregung, welche in manchen Situationen von Vorteil ist. Interdigitalwandler haben den Vorteil, sehr flach auf dem Gehäuse der
Batteriezelle anliegen zu können, wodurch sich das Volumen einer Batteriezelle mit Sender kaum von dem Volumen von nur einer Batteriezelle ohne Sensor unterscheidet.
Die von den verschiedenen Ausführungsformen angeregten Plattenwellen sind entweder Lamb-Wellen, horizontal polarisierte Scherwellen oder vertikal polarisierte Scherwellen. Plattenwellen sind nicht verwechselbar mit
Oberflächenwellen oder Volumenwellen. Während die Wellenart Volumenwelle durch keine Grenzflächen begrenzt wird und sich im Medium frei entfalten kann und die Wellenart Oberflächenwelle nur durch eine Grenzfläche beschränkt wird, wird die Wellenart Plattenwelle durch mindestens zwei Grenzflächen (der beiden Flächen der Platte) eingeschränkt. Dadurch entstehen bei Plattenwellen viel mehr verschiedene und differenziertere Ausbreitungsmöglichkeiten als bei
Volumenwellen, welches bei der Detektierung von Störstellen in den
Batteriezellen von enormem Vorteil ist. „Akustische Plattenwellen" und
„Plattenwellen" werden hier als Synonyme behandelt. Die charakterisierenden Polarisationsrichtungen der Lamb-Wellen, HPSW und VPSW ermöglichen die Detektion von unterschiedlichen Störstellen im Material. Durch die Auswahl einer dieser Wellenarten als Hauptanregung kann eine bestimme Art von Störstellen gezielt und genau gemessen werden. Diese kann wiederum zu einer gezielten und genauen Diagnose über einen Defekt der Batteriezelle führen.
Auch können die angeregten Plattenwellen aus einer beliebigen Kombination aus Lamb-Wellen, horizontal polarisierte Scherwellen und vertikal polarisierte
Scherwellen sein. Verschiedene Plattenwellen charakterisieren verschiedene Veränderungen in der Batteriezelle. Daher können mit einer Kombination von verschiedenen Plattenwellen eine genauere Auswertung über den
Gesamtzustand der Batterie ermittelt werden, da verschiedene physikalische Effekte in einer Messung identifiziert werden können.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Anregung der Plattenwellen und/oder Torsionswellen kontinuierlich oder pulsformig. Bei einer kontinuierlichen Anregung ist es möglich, Veränderungen von physikalischen Eigenschaften in Echtzeit (sofort) zu erkennen. Diese Anregung hat jedoch den Nachteil, dass stetiger Energieverbrauch nötig ist. Bei einer pulsförmigen Anregung wird punktuell gesendet, welches die Diagnosevorrichtung energieeffizienter macht. Dabei kann auch die pulsformige Anregung in den betrachteten Zeitbereichen die geforderten Echtzeitkriterien erfüllen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sender dazu ausgestattet, die
Plattenwellen und/oder Torsionswellen mit einer Frequenz von 100 kHz bis 10 MHz in der Batteriezelle anzuregen. Der Niederfrequenzbereich wird definiert zwischen ca. 100 kHz und 500kHz. Niederfrequente Wellen werden weniger durch die einzelnen Lagen gedämpft und weisen somit bei der Messung eine hohe Amplitude auf. Diese haben aber durch die Reflektion an den Grenzflächen (Lagen) schwächere Interaktion mit eventuellen Störstellen. Das führt wiederum zu weniger Sensitivität bzgl. Fehler im Material im Gegensatz zu hochfrequenten Wellen. Hochfrequente Wellen beginnen bei einem MHz. Diese werden mehr gedämpft, haben jedoch viel bessere Sensitivität bzgl. der Detektion von Fehlern im Material. Besonders eine Kombination aus Beiden kann gezielt eingesetzt werden, um genauere Diagnosen zu erhalten.
Im Detail interagieren durch Dispersionseigenschaften des Materials die niederfrequenten Wellen auf eine andere Weise mit eventuellen Veränderungen in der Batteriezelle als hochfrequente Wellen. Das führt allgemein bei
unterschiedlichen Frequenzen zu unterschiedlicher Sensitivität hinsichtlich unterschiedlicher Materialveränderungen. Bei niedrigen Frequenzen kann dies, je nach Veränderung, demnach auch zu einer höheren Sensitivität führen. Dies gilt auch für hohe Frequenzen. Zum Beispiel werden hochfrequente Wellen von räumlichen Defekten stärker beeinflusst bzw. gedämpft als niederfrequente Wellen und haben somit eine höhere Sensitivität gegenüber lokalen
Veränderungen im der Batteriezelle. Es ist daher von Vorteil sowohl
hochfrequente als auch niederfrequente Wellen zu benutzen, um unterschiedliche Veränderungen, bzw. Defekte in der Batteriezelle genau detektieren zu können und dadurch ein noch präziseres Diagnoseergebnis zu bekommen.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die Anregung aus einem
Frequenzspektrum mit verschiedenen Frequenzen. Diese ermöglicht eine genauere Untersuchung der Batteriezelle, da verschiedene Frequenzen verschiedene Defekte detektieren können.
Weiterhin wird um die technische Aufgabe zu lösen, ein Batteriesystem mit Diagnosefunktion umfassend eine Batteriezelle mit einem Aufbau aus mehreren Lagen, wobei die Lagen durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, und eine Diagnosevorrichtung nach Anspruch 1 zur Bestimmung von kritischen Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-Zustand in Batteriezellen, mit mindestens einem Empfänger und gegebenenfalls zusätzlich einem Sender, zur Anordnung am Gehäuse und/oder Zellkontakt der
Batteriezelle, wobei der Empfänger dazu geeignet ist, akustische Plattenwellen und/oder akustische Torsionswellen zu empfangen und ein entsprechendes Signal an eine Auswerteeinheit zu übermitteln, die dafür vorgesehen ist, ein oder mehrere Parameter auszuwerten, die charakterisierend für einen Ist-Zustand der Batteriezelle sind, und diese mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert zu vergleichen, wobei ein Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellwerts als Identifikation von Batteriezellen mit kritischer Veränderung ihrer
physikalischen Eigenschaften gewertet wird, wobei im Falle der
Diagnosevorrichtung mit Sender der Sender dazu geeignet ist, die akustischen Plattenwellen und/oder die akustischen Torsionswellen in der Batteriezelle mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen anzuregen, zur Verfügung gestellt.
Der Einsatz des Batteriesystems liefert viele Vorteile. Die Batteriezellen können z.B. ab der Herstellung auf Ihren Alterungs- bzw. Gesundheitszustand überwacht werden. Gleiches gilt für auch für Batteriemodule und Batterie-Packs. Es ist möglich bei der Überwachung die elektrischen und thermischen Parameter (wie z.B. Zelltemperatur) zu detektieren. Aus den gemessenen Parametern lässt sich mit Hilfe von Algorithmen der Zustand der Batteriezellen bestimmen. Bei einem Überschreiten oder Unterschreiten von gewissen Schwellwerten, wie
beispielsweise die minimale und maximale Signalspannung, kann ein kritischer Zustand frühzeitig erkannt werden. Daraufhin können geeignete aktive sowie passive Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um Gefährdungen und Verluste zu minimieren.
In einer Ausführungsform des Batteriesystems sind mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf einer gleichen Batteriezellenseite angeordnet. Als die„gleiche" Batteriezellenseite gilt, wenn die kürzeste Distanz zwischen (mindestens) zwei Orten, die für das Senden und Empfangen
ausgewählt wurden, durch nur eine Lage verläuft/beinhaltet/tangiert. Durch diese Anordnung wird eine erhöhte Amplitude gemessen, da sich die Welle
hauptsächlich entlang der Oberfläche verläuft und weniger Interaktionen durchlaufen muss. Bei Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Batteriezelle gegenüber dem Sollzustand wie z.B. Gasbildungen in der
Batteriezelle, erhöht sich die Amplitude des Messsignals, da die Störstelle, z.B. eine Gasblase, die Welle wieder zurückreflektiert. Ein Überschreiten eines Schwellwerts ist demnach ein Indikator für eine physikalische Veränderung, z.B. in Form einer Glasblase, in der Batteriezelle.
In einer weiteren Ausführungsform des Batteriesystems sind mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf unterschiedlichen
Batteriezellenseiten angeordnet. Als„unterschiedliche" Batteriezellenseiten gilt, wenn die kürzeste Distanz zwischen (mindestens) zwei Orten, die für das Senden und Empfangen ausgewählt wurden, durch mehrere Lagen verläuft. Durch den Kraftschluss, der die Lagen in der Batteriezelle unmittelbar miteinander
(angepresst) verbinden, ist eine gute Fortpflanzung der Welle durch die Lagen gewährleistet. Die gute Übertragung von einer Batteriezellenseite zur anderen Seite wird durch eine Störstelle im Material reduziert. Ein Unterschreiten eines Schwellwertes kann demnach ein Indikator für eine Veränderung in der
Batteriezelle sein. Hierbei sind Sender und Empfänger vorzugsweise nicht gegenüber, sondern versetzt in Ausbreitungsrichtung der Welle an der
Batteriezelle angeordnet. Im Falle von Gasbildung nimmt der Empfänger, der versetzt zum Sender angeordnet ist (zum Beispiel auf der anderen Seite) ein geschwächtes Signal auf, da Energie durch das eingeschlossene Gas in Richtung des Senders reflektiert wird.
In einer Ausführungsform des Batteriesystems sind mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf einem gleichen Zellkontakt oder auf verschiedenen Zellkontakten angeordnet. Der Zellkontakt ist der„gleiche" Zellkontakt, wenn es dabei um den gleichen Pol einer Batteriezelle handelt.
Zellkontakte sind„verschiedene" Zellkontakte, wenn die Sensoren auf
verschiedene Pole angebracht sind. Oftmals ist es durch die Umgebung für die Einbettung der Batterie schwierig, an die Batteriezellenseiten Sensoren anzubringen. Um dieses Problem zu lösen, werden an den Zellkontakten der Batterie die Sensoren angebracht. Durch die Einsenderichtung der Welle kann das gemessene Signal auch Auskunft über die Haftung der Beschichtung der Elektroden im Innern der Batteriezelle geben. Wenn sowohl alle Sender und Empfänger auf dem gleichen Zellkontakt angebracht sind, ist das Überschreiten eines Schwellwertes ein Indikator dafür, dass sich Veränderungen wie z.B.
Gasbildungen innerhalb der Batteriezelle auftreten. Wenn die Sender und
Empfänger auf verschiedenen Zellkontakten angebracht sind, wird ein
Unterschreiten eines Schwellwertes als Veränderung physikalischer
Eigenschaften gewertet.
In einer Ausführungsform des Batteriesystems sind mindestens einer der Sender auf einer Batteriezellenseite und mindestens einer der Empfänger auf einem Zellkontakt und umgekehrt angebracht. Der Vorteil besteht darin, dass in manchen Situationen nur diese Konfiguration erlaubt ist. Ein Unterschreiten eines Schwellwertes kann bei dieser Anordnung ein Indikator für die Veränderung von physikalischen Eigenschaften in der Batteriezelle gewertet werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Diagnose von Veränderung physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-zustand von Batteriezellen mit einem Aufbau aus mehreren Lagen, wobei die Lagen durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, umfassend
ein Anordnen von mindestens einem Empfänger am Gehäuse und/oder
Zellkontakt der Batteriezelle,
ein Empfangen von akustischen Plattenwellen und/oder akustischen Torsionswellen durch den Empfänger,
- ein Übermitteln eines entsprechenden Signals durch den Empfänger an eine Auswerteeinheit,
ein Auswerten von ein oder mehrere Parameter, die charakterisierend für ein Ist-Zustand der Batteriezelle sind, durch die Auswerteeinheit, ein Vergleichen der ausgewerteten Parameter mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert,
ein Werten eines Überschreitens oder eines Unterschreitens des
Schwellwerts als Identifikation von Batteriezellen mit Veränderung der physikalischen Eigenschaften.
Das Verfahren liefert zudem die Möglichkeit, Materialeigenschaften der
Batteriezelle abzuleiten. Diese beinhalten: den mittleren Druck innerhalb der Zelle, das Elastizitätsmodul, das Schermodul, die Dichte, die Schichthöhe, die Phasenübergänge von fest zu flüssig, flüssig zu fest, fest zu gasförmig, flüssig zu gasförmig und gasförmig zu flüssig. Zudem können Veränderungen in der mechanischen Struktur erkannt werden, wie die Delamination zwischen
verschiedenen Schichten der Batterie wie Aktivmaterial und Ableiter und/oder die Delamination der Kontaktfahnen (Zellkontakten) und/oder die Delamination einzelner Schichten von der Kontaktfahne.
Eine Ausführungsform des Verfahrens stellt zusätzlich zum Empfänger
mindestens einen Sender zum Anregen von akustischen Plattenwellen und/oder Torsionswellen in der Batteriezelle mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen, der am Gehäuse und/oder Zellkontakt der Batteriezelle angeordnet ist, zur Verfügung. Dadurch ist ein aktives Senden der zu messenden Welle möglich. Hierbei sind Sender und Empfänger vorzugsweise nicht gegenüber, sondern versetzt in Ausbreitungsrichtung der Welle an der Batteriezelle angeordnet.
Eine Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet, dass das Auswerten die
Parameter Amplitude und Laufzeit des Signals umfasst. Diese empfangenen Signale lassen sich mit unterschiedlichen Verfahren auswerten. Dabei ist es möglich, sowohl analoge als auch digitale Filter einzusetzen. Aus den
Messsignalen lassen sich unter anderem die Energie, die Frequenz, das Integral des Amplitudenquadrats bzw. des Amplitudenbetrags, das Frequenzspektrum des gesamten Signals durch die Fourier-Transformation oder die Schneller Fourier- Transformation, das Frequenzspektrum im einzelnen Bereichen durch die
Kurzzeit-Fourier-Transformation, das Impulsspektrum in den einzelnen Bereichen des Signals durch die Wavelet-Transformation bestimmen. Die mathematischen Methoden für die verschiedenen Transformationen/Verfahren können eine Kombination aus verschiedenen Fensterfunktionen sein wie z.B. Rechteck- Fenster, Von-Hann-Fenster, Hamming-Fenster, Gauß-Fenster, Blackman- Fenster, Blackman-Harris-Fenster, Blackman-Nuttal-Fenster, Flat-Top-Fenster, Bartlett-Fenster, Bartlett-Hann-Fenster, Kosinus-Fenster, Tukey-Fenster,
Lanczos-Fenster, Kaiser-Fenster, Gauß-Fenster etc.
Die erhaltenen Messergebnisse können abgespeichert und eine Veränderung der Messergebnisse über die Zeit miteinander vergleichen werden. Diese können mit stochastischen Methoden ausgewertet werden um die Veränderung der physikalischen Eigenschaften einer Batteriezelle über die Zeit hinweg zu bewerten. Eine Ausführungsform des Verfahrens ist die Erstellung einer Prognose der physikalischen Veränderungen, vorzugsweise Temperaturänderungen, in der Batteriezelle in der Zukunft durch das Auswerten der Parameter über die Zeit. Durch die Auswertung der Messergebnisse über die Zeit sollen insbesondere kritische Ereignisse frühzeitig prognostiziert werden, indem kurzfristige
Veränderungen der physikalischen Eigenschaften identifiziert und bewertet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Ladezustand der Batteriezelle bestimmt, indem die Ultraschallsignale mit den elektrischen
Messsignalen korreliert werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt:
Fig .1 : Batteriesystem mit Diagnosefunktion umfassend eine Batteriezelle mit einem Aufbau aus mehreren Lagen und der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung.
Fig.2: Diagnosevorrichtung zur Bestimmung von kritischen Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-Zustand in Batteriezellen.
Fig.3: Anordnung Keilwandler zum Senden und/oder Empfangen von
akustischen Platten- und/oder Torsionswellen auf der Batterie.
Fig .4: Interdigitalwandler mit kammartigen Elektroden.
Fig.5: Verfahren zur Diagnose von Veränderung physikalischer
Eigenschaften gegenüber einem Sollzustand von Batteriezellen.
Fig.6: Verlauf eines Messsignals gemessen unter Verwendung der
erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung und Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein Batteriesystem 50 mit Diagnosefunktion umfassend eine
Batteriezelle 12 mit einem Aufbau aus mehreren Lagen 14, wobei die Lagen 14 durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, und eine
erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung 10 zur Bestimmung von kritischen Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-Zustand in Batteriezellen 12. Das Batteriesystem 50 beinhaltet mindestens einen Empfänger 18 und gegebenenfalls zusätzlich einen Sender 16, zur Anordnung am Gehäuse 20 und/oder Zellkontakt 22 der Batteriezelle 12. Der Empfänger 18 ist dazu geeignet, akustische Plattenwellen 24 und/oder akustische Torsionswellen 26 zu empfangen und ein entsprechendes Signal 28 an eine Auswerteeinheit 30 zu übermitteln. Die Auswerteeinheit 30 ist dafür vorgesehen, ein oder mehrere Parameter 32 auszuwerten, die charakterisierend für einen Ist-Zustand der Batteriezelle 12 sind und diese mit mindestens einem vorher definierten
Schwellwert 34 zu vergleichen. Dabei wird ein Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellwerts 34 als Identifikation von Batteriezellen mit kritischer
Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften gewertet. Im Falle eines
Batteriesystems 50 mit Sender 16 ist der Sender 16 dazu geeignet, die
akustischen Plattenwellen 24 und/oder die akustischen Torsionswellen 26 in der Batteriezelle 12 mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen 14 anzuregen. Der Sender 16 kann dabei gleichzeitig auch der Empfänger 18 sein. Weiterhin kann im Falle eines Batteriesystems mit Sender 16 mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf einer gleichen Batteriezellenseite 42, 20 angeordnet sein. Auch können mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf unterschiedlichen Batteriezellenseiten 42, 20 angeordnet sein. Damit können die Ausbreitungsparameter der Plattenwelle und/oder
Torsionswellen durch die einzelnen Zelllagen ebenfalls gemessen werden. In einer Ausführungsform können mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf einem gleichen Zellkontakt 22 oder auf verschiedenen Zellkontakten 22 angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann mindestens einer der Sender auf einer Batteriezellenseite 42, 20 und mindestens einer der Empfänger auf einem Zellkontakt 22 und umgekehrt angebracht sein.
Fig. 2 zeigt eine Diagnosevorrichtung 10 zur Bestimmung von kritischen
Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-Zustand in Batteriezellen 12 mit einem Aufbau aus mehreren Lagen 14, wobei die Lagen 14 durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind. Die Diagnosevorrichtung 10 beinhaltet mindestens einen Empfänger 18 und gegebenenfalls zusätzlich einen Sender 16, zur Anordnung am Gehäuse 20 und/oder Zellkontakt 22 der Batteriezelle 12. Der Empfänger 18 ist dazu geeignet, akustische Plattenwellen 24 und/oder akustische Torsionswellen 26 zu empfangen und ein entsprechendes Signal 28 an eine Auswerteeinheit 30 zu übermitteln. Die Auswerteeinheit 30 ist dafür vorgesehen, ein oder mehrere Parameter 32 auszuwerten, die
charakterisierend für einen Ist-Zustand der Batteriezelle 12 sind und diese mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert 34 zu vergleichen. Dabei wird ein Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellwerts 34 als Identifikation von Batteriezellen mit kritischer Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften gewertet. Im Falle einer Diagnosevorrichtung 10 mit Sender 16 ist der Sender 16 dazu geeignet, die akustischen Plattenwellen 24 und/oder die akustischen
Torsionswellen 26 in der Batteriezelle 12 mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen 14 anzuregen. Der Sender 16 kann dabei gleichzeitig auch der
Empfänger 18 sein. Der Sender 16, 18 ein Interdigitalwandler 36 mit
kammartigen, ineinandergreifenden Elektroden 38 mit Abständen zwischen den Elektroden 38 gleich einer vorbestimmten Wellenlänge sein. In einer Ausführung ist der Sender 16, 18 ein Keilwandler 40, wobei der Sender 16, 18, 40 so ausgerichtet ist, dass er unter einen kritischen Winkel in die Lagen 14 der
Batteriezelle 12 senden kann. Der Sender 16, 18, 36, 40 kann ein
Ultraschallsensor sein. Der Ultraschallsensor kann mit Hilfe von mindestens einem piezoelektrischen Element und/oder von mindestens einem
elektromagnetischen akustischen Wandler und/oder von ein oder mehreren Laseranregungen und/oder von mindestens einem Interdigitalwandler die
Plattenwellen 24 und/oder Torsionswellen 26 anregen. Die angeregten
Plattenwellen 24 können entweder Lamb-Wellen oder horizontal polarisierte Scherwellen oder vertikal polarisierte Scherwellen sein oder eine beliebige Kombination aus Lamb-Wellen, horizontal polarisierte Scherwellen und vertikal polarisierte Scherwellen. Die Anregung der Plattenwellen 24 und/oder
Torsionswellen 26 kann kontinuierlich oder pulsförmig erfolgen. Der Sender 16, 18, 36, 40 kann weiterhin so ausgestattet sein, dass Plattenwellen 24 und/oder Torsionswellen 26 mit einer Frequenz von 100 kHz bis 10 MHz in der
Batteriezelle angeregt werden. Weiterhin kann eine Anregung aus einem
Frequenzspektrum mit verschiedenen Frequenzen bestehen.
Fig. 3 zeigt ein Batteriesystem 50 mit einem Keilwandler 40 zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Plattenwellen 24 und/oder Torsionswellen 26, wobei der Sender Keilwandler 40 so ausgerichtet sein kann, dass er unter einen kritischen Winkel in die Lagen 14 der Batteriezelle 12 sendet. Der Keilwandler 40 besteht aus einem Keil, der einen Keilwinkel α zwischen der oberen Keilfläche 48 und der Fläche des zu messenden Gegenstandes, an dem der Keil angebracht ist, aufspannt und an dessen Oberseite eine Piezokeramik angekoppelt ist. Die Keramik ist als Platte oder Scheibe ausgeführt. Die Piezokeramik regt eine Welle mit einer gewünschten Wellenlänge im Keil an. Der Keil sorgt dafür, dass diese Welle unter einem bestimmten Winkel auf die Plattenoberfläche trifft und dort eine harmonische, räumlich begrenzte Dehnungsverteilung induziert. Indem die Form der Dehnungsverteilung auf die Wellenlänge, z.B. einer Lamb-Welle, abgestimmt wird, kann diese Wellenart selektiv angeregt und empfangen werden. Die
Abstimmung der Wellenlängen geschieht dabei über den Keilwinkel a, der mithilfe des Brechungsgesetzes berechnet werden kann. Für die Anregung von
Lambwellen können Dickenschwinger und für die Anregung von HPSW und VPSW Scherschwinger verwendet werden.
Fig. 4 zeigt einen Interdigitalwandler 36 als Sender 16, 18, 36, 40 mit kammartigen, ineinandergreifenden Elektroden 38 mit unterschiedlicher Polarität, die Abstände zwischen den Elektroden 38 gleich einer vorbestimmten Wellenlänge haben können. In der vorliegenden Erfindung wird die kammartige Struktur an Elektroden 38 parallel zur Oberfläche der Batteriezelle 12 angeordnet. Als Material für die Interdigitalwandler 36 kommen sowohl piezokeramische Platten als auch PVDF- Folien zum Einsatz. Flächig auf die Plattenstruktur appliziert bewirken die strukturierten Elektroden 38, dass die Wandler 36 eine räumlich variierende, endliche Dehnungsverteilung an der Plattenoberfläche induzieren. Wenn die Abstände der Elektroden 38 auf die Wellenlänge eines Modes abgestimmt und die Wandler 36 bei einer Frequenz betrieben werden, ist es möglich, einen bestimmten Mode selektiv anzuregen bzw. zu empfangen. Dies gewährleistet die präzise Ansteuerung von der gewünschten Wellenart (Lamb, HPSW, VPSW). Es kann aber auch ein unter Kraftschluss auf die Batteriezelle 12 aufgebrachter piezoelektrischer Dicken- oder Scherschwinger (piezoelektrische Platte) verwendet werden. Die Anregung in Ausbreitungsrichtung entlang der Batterieelektrode erfolgt durch die Querkontraktion (Poissonzahl).
Fig. 5 zeigt ein Verfahren 100 zur Diagnose von Veränderung physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-zustand von Batteriezellen 12 mit einem Aufbau aus mehreren Lagen 14, wobei die Lagen 14 durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind. Das Verfahren umfasst ein Anordnen 1 10 von mindestens einem Empfänger am Gehäuse und/oder Zellkontakt der Batteriezelle, ein Empfangen 130 von akustischen Plattenwellen und/oder akustischen
Torsionswellen durch den Empfänger, ein Übermitteln 140 eines entsprechenden Signals durch den Empfänger an eine Auswerteeinheit, ein Auswerten 150 von ein oder mehrere Parameter, die charakterisierend für ein Ist-Zustand der
Batteriezelle sind durch die Auswerteeinheit, ein Vergleichen 160 der
ausgewerteten Parameter mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert und ein Werten 170 eines Überschreitens oder eines Unterschreitens des
Schwellwerts als Identifikation von Batteriezellen mit Veränderung der
physikalischen Eigenschaften. Zusätzlich kann das Verfahren 100
mindestens ein Sender zum Anregen 120 von akustischen Plattenwellen und/oder Torsionswellen in der Batteriezelle mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen, welches am Gehäuse und/oder Zellkontakt der Batteriezelle angeordnet ist, beinhalten. Das Auswerten 150 der Parameter 32 kann eine Amplitude 44, 32 und eine Laufzeit 46, 32 eines Signals 28 umfassen. Weiterhin kann eine
Prognose 180 der physikalischen Veränderungen der Batteriezelle in der Zukunft durch das Auswerten der Parameter 32 über die Zeit erstellt werden.
Fig. 6 zeigt den Verlauf eines Messsignals gemessen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung 10 und Benutzung des
erfindungsgemäßen Verfahrens 100. Der Parameter Amplitude (sowohl positiv als auch negativ) 44, 32 kann dabei als Schwellwert 34 definiert werden. Die Laufzeit 46, 32 wird als die Zeit bezeichnet, die das eingesandte Signal braucht um zum Empfänger zu gelangen.
Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden.
Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst. Liste der Bezugszeichen
10 erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung
12 Batteriezelle
14 Lagen (der Batteriezelle)
16 Sender
18 Empfänger
20 Gehäuse
22 Zellkontakt
24 akustische Plattenwelle
26 akustische Torsionswelle
28 Signal
30 Auswerteeinheit
32 Parameter
34 Schwell wert
36 Interdigitalwandler
38 kammartige, ineinandergreifende Elektroden
40 Keilwandler
42 Batteriezellenseite
44 Amplitude
46 Laufzeit
48 Obere Keilfläche
50 Batteriesystem
100 erfindungsgemäßes Verfahren
1 10 Anordnen von Empfänger
120 Anregen von akustischen Platten- und/oder Torsionswellen
130 Empfangen von akustischen Plattenwellen und/oder
akustischen Torsionswellen
140 Übermitteln eines entsprechenden Signals
150 Auswerten von ein oder mehrere Parameter
160 Vergleichen der ausgewerteten Parameter
170 Werten eines Überschreitens oder eines Unterschreitens des
Schwell werts 180 Erstellen einer Prognose physikalischer Veränderungen der Batteriezelle α Keilwinkel

Claims

Patentansprüche:
1 . Eine Diagnosevorrichtung (10) zur Bestimmung von kritischen
Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll- Zustand in Batteriezellen (12) mit einem Aufbau aus mehreren Lagen (14), wobei die Lagen (14) durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, mit mindestens einem Empfänger (18) und gegebenenfalls zusätzlich einem Sender (16) zur Anordnung am Gehäuse (20) und/oder Zellkontakt (22) der Batteriezelle (12), wobei der Empfänger (18) dazu geeignet ist, akustische Plattenwellen (24) und/oder akustische Torsionswellen (26) zu empfangen und ein entsprechendes Signal (28) an eine Auswerteeinheit (30) zu übermitteln, die dafür vorgesehen ist, ein oder mehrere Parameter (32) auszuwerten, die charakterisierend für einen Ist-Zustand der
Batteriezelle (12) sind, und diese mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert (34) zu vergleichen, wobei ein Überschreiten oder
Unterschreiten des Schwellwerts (34) als Identifikation von Batteriezellen mit kritischer Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften gewertet wird, wobei im Falle der Diagnosevorrichtung mit Sender der Sender (16) dazu geeignet ist, die akustischen Plattenwellen (24) und/oder die akustischen Torsionswellen (26) in der Batteriezelle (12) mit einer
Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen (14) anzuregen.
2. Die Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sender (16) auch der Empfänger (18) ist.
3. Die Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sender (16, 18) ein Interdigitalwandler (36) mit kammartigen, ineinandergreifenden Elektroden (38) mit Abständen zwischen den
Elektroden (38) gleich einer vorbestimmten Wellenlänge ist.
4. Die Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sender (16, 18) ein Keilwandler (40) ist, wobei der Sender (16, 18, 40) so ausgerichtet ist, dass er unter einen kritischen Winkel in die Lagen (14) der Batteriezelle (12) senden kann.
5. Die Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sender (16, 18) ein unter Kraftschluss auf die Batteriezelle (12) aufzubringender piezoelektrischer Dicken- oder Scherschwinger ist.
6. Die Diagnosevorrichtung (10) nach einen der voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sender ein Ultraschallsensor ist.
Die Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ultraschallsensor mit Hilfe von mindestens einem
piezoelektrischen Element und/oder von mindestens einem
elektromagnetischen akustischen Wandler und/oder von ein oder mehreren Laseranregungen und/oder von mindestens einem
Interdigitalwandler die Plattenwellen und/oder Torsionswellen anregt.
Die Diagnosevorrichtung (10) nach einen der voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
dass die angeregten Plattenwellen entweder Lamb-Wellen oder horizontal polarisierte Scherwellen oder vertikal polarisierte Scherwellen sind.
Die Diagnosevorrichtung (10) nach einen der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die angeregten Plattenwellen eine beliebige Kombination aus Lamb- Wellen, horizontal polarisierte Scherwellen und vertikal polarisierte
Scherwellen sind.
10. Die Diagnosevornchtung (10) nach einen der voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Anregung der Plattenwellen und/oder Torsionswellen
kontinuierlich oder pulsförmig erfolgt.
1 1 . Die Diagnosevorrichtung (10) nach einen der voranstehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet,
dass der Sender dazu ausgestattet ist, die Plattenwellen und/oder
Torsionswellen mit einer Frequenz von 100 kHz bis 10 MHz in der
Batteriezelle anzuregen.
Die Diagnosevorrichtung (10) nach einen der voranstehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet,
dass die Anregung aus einem Frequenzspektrum mit verschiedenen Frequenzen besteht.
13. Ein Batteriesystem (50) mit Diagnosefunktion umfassend eine Batteriezelle (12) mit einem Aufbau aus mehreren Lagen (14), wobei die Lagen(14) durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, und eine
Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 1 zur Bestimmung von kritischen
Veränderungen physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll- Zustand in Batteriezellen (12), mit mindestens einem Empfänger (18) und gegebenenfalls zusätzlich einem Sender (16), zur Anordnung am Gehäuse (20) und/oder Zellkontakt (22) der Batteriezelle (12), wobei der Empfänger (18) dazu geeignet ist, akustische Plattenwellen (24) und/oder akustische
Torsionswellen (26) zu empfangen und ein entsprechendes Signal (28) an eine Auswerteeinheit (30) zu übermitteln, die dafür vorgesehen ist, ein oder mehrere Parameter (32) auszuwerten, die charakterisierend für einen Ist- Zustand der Batteriezelle (12) sind, und diese mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert (34) zu vergleichen, wobei ein Überschreiten oder
Unterschreiten des Schwellwerts (34) als Identifikation von Batteriezellen mit kritischer Veränderung ihrer physikalischen Eigenschaften gewertet wird, wobei im Falle der Diagnosevorrichtung mit Sender der Sender (16) dazu geeignet ist, die akustischen Plattenwellen (24) und/oder die akustischen Torsionswellen (26) in der Batteriezelle (12) mit einer
Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen (14) anzuregen.
Das Batteriesystem (50) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf einer gleichen Batteriezellenseite (42, 20) angeordnet sind.
Das Batteriesystem (50) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf unterschiedlichen Batteriezellenseiten (42, 20) angeordnet sind. 16. Das Batteriesystem (50) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der Sender und mindestens einer der Empfänger auf einem gleichen Zellkontakt (22) oder auf verschiedenen Zellkontakten (22) angeordnet sind.
17. Das Batteriesystem (50) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der Sender auf einer Batteriezellenseite (42, 20) und mindestens einer der Empfänger auf einem Zellkontakt (22) und umgekehrt angebracht sind.
Ein Verfahren (100) zur Diagnose von Veränderung physikalischer Eigenschaften gegenüber einem Soll-zustand von Batteriezellen (12) mit einem Aufbau aus mehreren Lagen (14), wobei die Lagen (14) durch einen Kraftschluss miteinander verbunden sind, umfassend
ein Anordnen (1 10) von mindestens einem Empfänger am Gehäuse und/oder Zellkontakt der Batteriezelle,
ein Empfangen (130) von akustischen Plattenwellen und/oder akustischen Torsionswellen durch den Empfänger, ein Übermitteln (140) eines entsprechenden Signals durch den
Empfänger an eine Auswerteeinheit,
ein Auswerten (150) von ein oder mehrere Parameter, die charakterisierend für ein Ist-Zustand der Batteriezelle sind, durch die Auswerteeinheit,
ein Vergleichen (160) der ausgewerteten Parameter mit mindestens einem vorher definierten Schwellwert,
ein Werten (170) eines Überschreitens oder eines Unterschreitens des Schwellwerts als Identifikation von Batteriezellen mit
Veränderung der physikalischen Eigenschaften.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich mindestens ein Sender zum Anregen (120) von
akustischen Plattenwellen und/oder Torsionswellen in der Batteriezelle mit einer Ausbreitungsrichtung entlang der Lagen, am Gehäuse und/oder Zellkontakt der Batteriezelle angeordnet ist. 20. Das Verfahren (100) nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Auswerten (150) die Parameter (32) eine Amplitude (44, 32) und eine Laufzeit (46, 32) des Signals (28) umfasst.
Das Verfahrens (100) nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Prognose (180) der physikalischen Veränderungen,
vorzugsweise Temperaturänderungen, der Batteriezelle in der Zukunft durch das Auswerten der Parameter (32) über die Zeit erstellt wird.
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