EP4005052A1 - Verfahren und anordnungen zur erkennung des ladezustandes von lithium-ionen-batterien mit optischen mitteln - Google Patents

Verfahren und anordnungen zur erkennung des ladezustandes von lithium-ionen-batterien mit optischen mitteln

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EP4005052A1
EP4005052A1 EP20749842.9A EP20749842A EP4005052A1 EP 4005052 A1 EP4005052 A1 EP 4005052A1 EP 20749842 A EP20749842 A EP 20749842A EP 4005052 A1 EP4005052 A1 EP 4005052A1
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EP
European Patent Office
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light
separator
arrangement
charge
designed
Prior art date
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Pending
Application number
EP20749842.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Valentin Roscher
Christian Modrzynski
Florian Rittweger
Karl-Ragmar Riemschneider
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Hochschule Fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg Haw Hamburg
Hochschule Fuer Angewandte Wss Hamburg Haw Hamburg
Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg
Original Assignee
Hochschule Fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg Haw Hamburg
Hochschule Fuer Angewandte Wss Hamburg Haw Hamburg
Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Hamburg
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4005052A1 publication Critical patent/EP4005052A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/80—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries including monitoring or indicating arrangements
    • 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
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • 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
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    • 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
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Lithium-ion batteries with optical means Lithium-ion batteries with optical means
  • the invention relates to methods and arrangements for metrological observation of the state of charge of lithium-ion batteries.
  • the state of charge of charge-storing electrode materials can be detected optically.
  • the light guide through the separator is used for this purpose.
  • a number of methods and systems for detecting the state of charge of batteries and battery cells are known; they fulfill partial functions of battery management systems. Electrical variables are often recorded and evaluated to detect the state of charge.
  • the battery temperature is often also taken into account as an important non-electrical variable because it has a significant cross-influence.
  • the aging of the battery is also an important influencing factor.
  • the endeavor to obtain accurate estimates via model calculation led to complex models with a number of parameters.
  • the model parameters are partially determined adaptively or adjusted. This modeling can be improved by acquiring additional measured variables using new methods.
  • Solutions are also known which determine certain state parameters of the battery cells in a combination of electrical stimulation and measurements.
  • An expanded presentation of this can be found in ’Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I, II ’(Andre et al., Journal of Power Sources, 2011).
  • the electrolyte has the function of conducting ions between the storing electrode materials.
  • the electrolyte is not chemically changed in the battery process and there are no changes comparable to those of the electrolyte in lead batteries. In this respect, the proposal in the aforementioned article cannot be implemented.
  • Lithium iron phosphate cathodes and appropriately mentions the possibility of inserting glass fiber optical waveguides in lithium ion batteries.
  • Another disadvantage is that the regular cell structure at the point where the fibers are introduced is disrupted to a certain extent. As a result, the behavior on the fiber and in the rest of the electrode surface can differ from one another.
  • the patent US20170131357A1 (Patricia Nieva et. Al., 2015) deals with the determination of the condition of lithium-ion batteries via fiber optic light guides.
  • the invention uses glass fiber optical waveguides, which have considerable disadvantages for industrial production.
  • the document differs significantly from the proposed invention, the object of which is to offer a solution without glass fibers.
  • the patent US6356478B1 (Jonathan Weiss, 2002) describes a fiber optic chemical sensor for lead batteries. This document relates to the detection of the electrolyte state and not the electrodes. In addition, fiber optics are used. The solutions according to this patent are suitable for lead batteries; they cannot be used in lithium-ion batteries.
  • the patent EP3098879A1 (Stephan Leuthner, Calin Wurm, 2015) describes the detection of decomposition products of the cathode. The solution is only able to determine a complete or partial destruction of the cell, which is associated with an at least partial malfunction in the event of severe aging. So it's not about recording the state of charge in regular operation.
  • the solution uses an optical sensor as an exemplary embodiment, which in turn detects the discoloration of an indicator material that reacts with undesired oxygen. Even if, in a further exemplary embodiment, a light-conducting separator is proposed for supplying light to the sensor, only the indicator material is observed. In detail, there is also the need for a separate indicator substance (e.g. indigo, leucomethylene blue or luminol), which reacts with the oxygen produced in the event of a fault.
  • a separate indicator substance e.g. indigo, leucomethylene blue or luminol
  • the patent EP2883260B1 (James Dvorsky, Steven Rissner, 2013) describes a way of reporting the occurrence of dendrites in lithium-ion batteries. This dendrite formation does not take place in normal battery operation, but is a symptom of severe damage to the battery cell. As in the previous publication, the task is to report a state of particular aging up to and including a malfunction. For this purpose, a measurement of the light permeability of the separator is proposed. In detail, this measurement differs in that no two-dimensional recording of effects takes place, but only the dendrites that occur point by point have a certain influence on the light transmission through the separator. This takes advantage of the fact that the separator is attached to the Make the dendrites damaged or destroyed.
  • the publication mentioned merely wants to report an atypical critical situation.
  • the present invention aims to continuously monitor the state of charge as a regular value measurement task of the battery management (ii)
  • the mentioned publication relates to the detection of a punctual effect of individual dendrites that occur.
  • the present invention aims to capture a two-dimensional effect of the entire electrode surface (iii)
  • the solutions of the cited document are associated with irreversible changes there due to the penetration of the dendrites into the separator layers. This irreversible and unique mode of operation differs from the present invention in that there is a fully reversible mode of operation, in particular in that the separator is not damaged.
  • the patent DE102014218277A1 (Jean Fanous, Martin Tenzer, 2014) describes a separator that includes an electrically conductive layer with the aim of detecting dendrite growth.
  • the electrically conductive layer of the separator is not in electrical contact with the electrodes in the normal operating state.
  • the dendrite grows, the normal separator layer is destroyed and a short circuit with the electrically conductive part is created, which can be detected by a separate electrical contact.
  • the patent specification W02006077519A1 (Peter Notten, 2006) deals with pressure and deformation measurements in battery cells. No optical measurements are taken.
  • the patent specification W02004047215A1 (Karl-Ragmar Riemschneider, 2003) describes a wireless battery management system. Although this solution uses electronics for cell monitoring, it only obtains its data from electrical measurements.
  • optical measuring principles are to be used to determine the state of charge for industrially manufactured cell structures.
  • the aforementioned disadvantages are intended to be overcome.
  • the aim of the invention is to achieve the stated objects in that the separator placed between the electrodes is used to guide light and optical fibers are dispensed with.
  • the separator touches the respective electrode surfaces of the anode and the cathode on both sides.
  • the optical interaction takes place over a large area.
  • the layer structure of the cell and the active material used for ion storage remain unchanged. No optical fibers are required in the cell.
  • the light must be coupled in at the separator.
  • An enclosed light source such as a light emitting diode (LED) can be used for this purpose.
  • the coupling can take place on the front side or over a large area. In the latter case, a prism can advantageously be used.
  • the light can be decoupled in a comparable manner and detected with a light sensor.
  • the two-dimensional interaction here relates to an interaction at the interfaces between the separator and at least one of the electrode surfaces.
  • the interaction depends on the local light output in the separator; the interaction is recorded via the area integral.
  • optical effects are covered on at least 10% of the entire separator-electrode interface.
  • the detectable interaction area of the interfaces is greater than 50% up to over 90%. The area can therefore be described as large.
  • the extent of the interaction with the electrode material can be measured by the transmitted light.
  • Separators are usually optimized in such a way that they guarantee reliable electrical separation of the electrodes, but also enable good ion conduction.
  • a favorable ion passage is achieved through a high porosity or a woven and permeable structure.
  • the introduced light emerges from the area of the separator by scattering, reflection and diffraction. This promotes the intensive and extensive interaction with the surrounding electrode surfaces. This is therefore desirable for the development of the effect used for measurement purposes.
  • the pore structure counteracts the light conduction between the light source and the light sensor. Over long distances, this can lead to undesirably high losses in light output.
  • the light conduction of the separator or the separator film can be partially improved. In this way, light-conducting line structures or narrow strips can be created in the separator. These show a reduced porosity for a narrow, line-like area. In this way, the light introduced from the source can be largely evenly distributed over the surface of the separator.
  • the light can also be directed from the surface to the sensor.
  • tree-like branches for the incoming and outgoing line structure or strips with reduced porosity are suitable. These can be arranged in such a way that only short distances between them are illuminated in the separator. Overall, the number of pores in the separator remains almost the same. To compensate for the lines with a reduced number of pores, the porosity in the remaining, much larger areas can be increased slightly.
  • Another advantageous variant relates to the production of the aforementioned line structures. For many polymer films commonly used as separators, it is possible, by means of limited heat treatment, to produce light-guiding line structures by locally strongly limited melting. This can be done with heated stamp molds for the lines or with spatially narrowly limited laser light.
  • the light sensors can be implemented as photodiodes, photoresistors or phototransistors. Integrated designs of light sensors as part of a silicon chip in combination with other functional units are also advantageous for light detection.
  • control of the light sources and the evaluation of the light sensors can advantageously be carried out with a mixed signal circuit in combination with a microcontroller.
  • 1a and 1b Schematic examples for use in different types of battery cells.
  • Fig. 2 An embodiment for a battery cell with a wound structure.
  • FIGS. 3a to 3d Examples of the position of the light sources and light sensors.
  • Fig. 4 An arrangement for the coupling and decoupling of the light.
  • Fig. 5 Another arrangement for the coupling and decoupling of the light.
  • Fig. 8 The use of several light sources with different wavelength ranges.
  • Fig. 9 The use of several light sensors for different wavelength ranges.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • 11 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention based on several wavelengths.
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention based on a multiplex measurement.
  • FIG. 1a and 1b serve to illustrate the basic proposed solution of the invention.
  • the drawing Fig. 1a shows schematically the use of the invention on a pouch cell or a prismatic cell. In a graphically simplified manner, only one folded layer is shown there.
  • light 129 is introduced into the separator or the separator film 103 with a coupling element 102.
  • This separator film is located between the positive electrode or electrode film 106 and the negative electrode or electrode film 108.
  • this light 130 is decoupled again with a decoupling element 110 and fed to at least one light sensor 111.
  • An optical interaction with at least one of the electrodes 106 or 108 has taken place on this path. This interaction influences the light output that is coupled out.
  • This variable power is detected by measurement at the light sensor 111 and is related to the charge state of the electrodes, which is to be determined.
  • the drawing Fig. 1b shows schematically the use of the solution according to the invention on a round cell in which the layers are wound.
  • the components and reference symbols correspond to FIG. 1 a.
  • the light is coupled into the wound separator over a large area at one end.
  • the coupling element follows the winding as a shape.
  • the decoupling element is located on the other face. It is also designed in such a way that it is coupled out from the surface.
  • a decoupling element is also provided which follows the shape of the winding.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment on a cell with wound layer layers.
  • the light 229 is introduced into the separator film with a coupling element 202 at one winding end of the separator film 203.
  • This separator foil is located in a multilayer winding between the positive electrode foil 206 and the negative electrode foil 208.
  • the light follows the winding from the outside into the center of the winding. On this path there is an optical interaction with at least one of the electrode surfaces 206 or 208.
  • the separator and the electrodes are more curved as the winding increases. This curvature increases the interaction.
  • a rod-shaped coupling-out element 210 is located in the center.
  • the remaining light is coupled out 230 here and supplied to at least one light sensor 211.
  • the position of the light sensor and light source can be exchanged. Then the light passes through the winding from the inside out. The interaction results in a comparable way.
  • FIGS. 3a, 3b, 3c and 3d show different positions of light sources 300 and light sensors 311 in the structure of a cell with wound layers.
  • the schematic representation looks at the end of the winding.
  • the following components are shown in detail: light source 300, light 329 to be coupled in, separator or separator film 303, positive and negative electrodes or electrode films 306 or 308, all viewed from the front, coupled-out light 330 and light sensor 311.
  • the drawing Fig. 3a shows an arrangement in which the light is introduced from the outside of the winding and is detected in the center by measurement.
  • the drawing Fig. 3b shows an arrangement in which the light is introduced in the center of the winding and measured on the outside.
  • FIG. 3c shows an arrangement in which the light is introduced from the outside of the winding, is passed through the center and is again detected by measurement on the outside.
  • the drawing Fig. 3d shows an arrangement in which the light is introduced in the center of the winding, is directed to the outside of the winding, there is guided back to the center and is again detected by measurement in the center.
  • the latter position can advantageously utilize the cylindrical cavity in a wound cell, which is caused by manufacturing technology.
  • coupling-in and coupling-out elements and light diffusers can also be placed there in the separator film for uniform and areal distribution of the light to be coupled in and out. The same applies to compact evaluation electronics.
  • the drawing Fig. 4 shows schematically an arrangement for the coupling and decoupling of light as an embodiment.
  • the light 429 from the light source (s) 400 is supplied to a prism 402.
  • the beam angle is influenced in such a way that effective coupling into the planar separator 403 takes place.
  • the light then propagates 412 in a directional manner in the surface of the separator. After passing through this surface and interacting with at least one of the adjacent electrodes 406 and 408, the light 430 becomes with a prism 410 decoupled.
  • the beam angle is directed from the surface to the light sensor 411.
  • This coupling and decoupling with prisms has the advantage that the losses between the light source and separator or separator and light sensor are low and comparatively large areas and angular ranges are permitted in the construction. This is advantageous over direct coupling into the flat end regions of the separator or the separator films.
  • the prisms can also be designed according to the Fresnel principle. They can also be designed as a deformation of the separator or comprise several separator layers with a prism structure. Prisms can also be used separately exclusively for coupling or exclusively for decoupling.
  • the housings of the light sources and sensors can be shaped so that they already have matching prism structures themselves.
  • FIG. 5 shows a further schematic arrangement for coupling in and coupling out the light.
  • a multiple layer structure of separator 503, electrode foils made of positive active material 506 and negative active material 508 and current conductors for the positive electrode 507 and for the negative electrode 509 is shown.
  • the light 529 from at least one light source 500 is fed to the coupling elements 502.
  • These coupling elements 502 are formed from the separator material and widened so that they have a multiple of the separator thickness. In this way, almost the entire height of the layer structure or the entire end face of a wound layer structure can be used for coupling. After the light has passed through and interacted with at least one of the adjacent electrode surfaces 506 and 508, coupling out of the light can be supported in a comparable manner.
  • the decoupling elements 510 also have an expansion. Almost the entire height of the layer structure can thus also be used for coupling out.
  • the coupled-out light 530 is then detected by the light sensor 511.
  • the deformation for the coupling-in and coupling-out elements 502 and 510 can take place thermally.
  • Conical prisms or microlens structures can also be formed during the expansion. These can be placed in hole structures of the electrical combination and derivation from the current collector foils.
  • coupling or decoupling according to the embodiment described in FIG. 4 is used on one side of the separator, while the coupling or decoupling according to the embodiment described in FIG. 5 is used on the other side of the separator.
  • the drawing Fig. 6 shows an embodiment with separator areas of different Porosity.
  • the porosity describes the volume ratio of separator material and unfilled cavities. It can be determined approximately via density measurements (ratio of mass to volume).
  • the porosity can be set, for example, by an open-line structure provided at least on one surface of the separator. A greater porosity is present when the ratio of open-line accessible volumes in the separator body, or volumes created by surface roughness on either the separator body or the electrode surfaces is greater in relation to the total volume of the separator body.
  • Separator materials typically have a high porosity in order to take up the electrolyte in the pores and thus ensure ion conductivity.
  • a high number of pores leads to intensive light scattering and diffraction effects. On the one hand, these effects contribute to promoting interaction, on the other hand, they lead to strong light losses. These losses can limit the practical useful distance that light can travel. If this usable distance is exceeded, the light outputs remaining at the sensor are metrologically unfavorable and difficult to separate from the thermal noise.
  • the illustrated embodiment shows the light sources 600, from which light 629 is introduced into the areas of low porosity of the separator film 604 with the aid of a coupling element 602. In these areas, the light is distributed linearly in the separator surface with high porosity 605 in order to enter into optical interaction with at least one of the electrode surfaces over comparatively short stretches 612. From this area, the light passing through is picked up again in structures with low porosity 604 and passed on to a decoupling element 610.
  • the coupled-out light 630 is detected in at least one light sensor 611.
  • the areas with low porosity can be advantageously produced by local heating.
  • the low-loss areas are only to be designed as narrow line structures with a very small surface area, so that the desired porosity of the entire separator is not fundamentally lost. This thermal treatment can be done so briefly that the surface has a lower refractive index than that internal core material of the separator gets. This again reduces the transmission losses in the areas of low porosity.
  • FIG. 7 shows an embodiment with a fluorescent component on the separator.
  • the light source 700 initially couples light 729 of a specific wavelength range into the separator film 703 via a prism 702. When passing through the separator, it interacts with the surrounding material of the positive electrode 706 and / or the negative electrode 708. After passing through the separator, the light from the separator is guided into a fluorescent material 714. Part of the transmitted light is absorbed there and preferably emerges in a different wavelength range. This light passes through the separator and exits at the decoupling prism 710. The forward and backward propagation of light is shown schematically 712 and 713. With the aid of a wavelength filter 715, the fluorescence response is separated from the light from the original light source 700.
  • a light sensor 711 detects the transmitted light power of the decoupled light 730 after the interaction. With the aid of the different wavelength ranges of irradiation and emission, undesired saturation of the light sensor 711 is avoided, so that it can be placed spatially close to the light source 700.
  • FIG. 8 schematically shows an exemplary embodiment with several light sources with different wavelength ranges in order to reduce the cross-influences of other variables such as temperature and pressure on the determination of the state of charge by forming reference values and the comparative calculation that takes place therewith.
  • systematic measurement errors such as fluctuating power of the light source due to aging or an unstable power supply are to be compensated.
  • the absolute light output can also be changed by long-term changes to all light-conducting components. It is therefore proposed to use several light sources 800 and 801. These sources have different spectral characteristics, with a clear maximum of the emitted light outputs Pin 1 and Pin2 at different wavelengths lambda.
  • the light sources are operated in time division multiplex with the aid of an electronic changeover switch 819 in such a way that they are switched on in certain phases of a cycle and switched off in other phases.
  • the light 829 from the light sources is coupled into the separator 803.
  • the light passes through the battery cell 831 and there interacts with the electrode surfaces.
  • the decoupled light 830 is detected by at least one light sensor 811 with a spectrally wide detection band which includes the maxima of the characteristics of the light sources.
  • the output value of the light sensor 811 is temporarily stored in storing elements 822 and 823.
  • the selection 820 of the respective storing element is controlled synchronously 821 with the switch-on phase of one of the light sources.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment with a plurality of light sensors which are intended to detect different wavelength ranges.
  • the light 929 emitted from the light source 900 is coupled into the separator 903 arranged between the electrodes within the battery cell 931. The interaction to be recorded takes place there.
  • the light is decoupled from the separator 930 and fed to two wavelength filters 915 and 916, respectively.
  • These filters can advantageously be formed from colored transparent material.
  • the filters can be designed as a prism arrangement that assigns different spectral ranges to different radiation angles. Another possibility is to use different microgrids. Line or array structures with several light sensor elements can be used here. Output powers separated according to spectral ranges are determined in the downstream light sensors 911.
  • the output values 934 and 935 are subjected to a comparison calculation 924 in order to obtain an output value 928 for indicating the state of charge, which is less dependent on the absolute transmission of the entire spectrum.
  • the advantage here is that the cross influences have a strong effect on the absolute transmission and are essentially independent of the wavelength. The same applies to fluctuations in the power of the light sources and other aging effects.
  • the drawing Fig. 9 only one light source and two light sensors are shown, the analogous extension to more than one light source and the use and comparative Signal evaluation from more than two light sensors is not restricted by this.
  • a combination of the methods according to drawing FIG. 8 and drawing FIG. 9 can be advantageous.
  • FIG. 10 shows a flow chart for determining the state of charge of the battery by means of light transmission through the separator.
  • the following steps take place.
  • the light is generated 1040 from a light source, followed by a coupling 1041 into the separator.
  • the light is passed through and interacts 1042 with at least one of the electrode surfaces.
  • the metrological detection 1044 of the light output takes place. This is used to determine the state of charge 1045 of the battery cell.
  • FIG. 11 shows a further flowchart for determining the state of charge of the battery by means of light conduction through the separator.
  • a comparison calculation of different light outputs is used.
  • Light 1140 is generated with a light source that is advantageously broadband.
  • the coupling 1141 into the separator then takes place.
  • the light propagation and interaction 1142 of the light with at least one of the electrode surfaces takes place.
  • decoupling 1143 from the separator Various wavelength filters 1146 are arranged downstream of this.
  • One filter is advantageously used for each light sensor.
  • the detection of the light outputs 1144 as a function of the wavelength is thus carried out.
  • a comparison calculation 1147 of at least two light outputs for different wavelength ranges is then carried out and is used to determine the state of charge 1145.
  • This comparison advantageously also offers the possibility of reducing cross-influences or specimen scatter of the measuring components, since the specific parameter is of a relative and no longer absolute character.
  • FIG. 12 shows a further flow chart for determining the state of charge of the battery by means of light conduction through the separator.
  • Light 1240 is generated with at least two light sources which have different spectral properties. They are each switched on separately for separate periods of time. The time periods are controlled by a synchronization unit 1248.
  • the coupling 1241 into the separator then takes place.
  • the light propagates and the light interacts 1242 with at least one of the electrode surfaces. This is followed by decoupling 1243 from the separator.
  • the detection of the light 1244 takes place with a light sensor. This is beneficial like that broadband sensitive, that all wavelength ranges of the light sources are sufficiently detected.
  • the output values of the light sensor are stored separately 1249.
  • the timing is also controlled by the synchronization unit 1248 in accordance with the switching on of the light sources.
  • a comparison calculation 1247 of at least two stored output values is then carried out and is used to determine the state of charge 1245.
  • Light source different in spectrum from further light source 801 light source, different in spectrum from further light source 800 separator film light sensor
  • Electronic changeover switch for selecting memory 822 or 823, synchronization of changeover switches 819 and 820
  • Memory for output value of light sensor 811 with irradiation by light source 800 Memory for output value of light sensor 811 with irradiation by light source 801 Comparative calculation of the stored spectral light outputs 825 and 826 Schematic spectrum of the decoupled light output for the light source 800 Schematic spectrum of the decoupled light output for the light source 801 Sketch of the result the comparison calculation 824 as an indication of the state of charge light to be coupled in

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur messtechnischen Beobachtung des Ladezustandes von Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere kann der Ladezustand von ladungspeichernden Elektrodenmaterialien optisch erfasst werden. Erfindungsgemäß wird hierzu die großflächige Lichtleitung durch den Separator und die optische Wechselwirkung im Bereich des Separators verwendet. Dazu wird Licht aus Lichtquellen in die Separatorfolie eingekoppelt und nach einem Durchlaufen eines flächigen Bereichs ausgekoppelt. Dieser Bereich wird von den Elektrodenfolien vollflächig berührt. Die durchgeleitete Lichtleistung wird von der Wechselwirkung des Lichtes mit den aktiven Elektrodenmaterialien beeinflusst. Die Transmissionsleistung wird mit einem Lichtsensor erfasst und zur Indikation des Ladezustandes genutzt.

Description

Verfahren und Anordnungen zur Erkennung des Ladezustandes von
Lithium-Ionen-Batterien mit optischen Mitteln
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur messtechnischen Beobachtung des Ladezustandes von Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere kann der Ladezustand von ladungsspeichernden Elektrodenmaterialien optisch erfasst werden. Erfindungsgemäß wird hierzu die Lichtleitung durch den Separator verwendet.
Stand der Technik
Eine Reihe von Verfahren und Systemen zur Ladezustandserkennung von Batterien und Batteriezellen sind bekannt, sie erfüllen Teilfunktionen von Batteriemanagementsystemen. Für die Ladezustandserkennung werden häufig elektrische Größen erfasst und ausgewertet.
In einfachen Systemen werden Spannungswerte der Batteriezellen oder der Gesamtbatterie bestimmt und mit vorgegebenen Werten oder Kennlinien verglichen. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass die messbaren Spannungswerte zumindest teilweise von den aktuellen und vergangenen Betriebsbedingungen abhängig sind. So stellt sich beispielsweise eine Ruhespannung als Beziehung zwischen den Spannungswerten und dem Ladezustand erst nach dem Erreichen eines Gleichgewichtszustandes ohne Stromfluss ein. Dieser ist erst nach längerer Zeit ohne Lade- oder Entladevorgang praktisch gegeben. Diese Beziehung von Spannungswert und Ladezustand wird als Ruhespannungskennlinie (englisch: Open Circuit Voltage Characteristic) angegeben. Sie ist wiederum von anderen Einflüssen und Größen wie Temperatur und Alterung der Zelle abhängig.
Andere Verfahren nutzen zusätzlich Strommessungen und integrieren diese Werte über die Betriebszeit, um eine rechnerische Ladungsbilanz zu erstellen. Diese stromintegrierenden Verfahren werden oft Coulomb-Counting-Verfahren - nach der Einheit der elektrischen Ladung Coulomb - genannt. Sie erfordern genaue und stabile Strommessungen. Die stromintegrierenden Verfahren haben - wie die meisten integrierenden Verfahren - das messtechnische Problem von Integrationsfehlern. In Anwendungen mit sehr unterschiedlich großen Batterieströmen werden Strommessungen mit großen Messbereichen benötigt. Bei großer Dynamik der Batterieströme ist eine hohe zeitliche Messdichte erforderlich, welche den Integrationsfehler erhöht. Mit Hilfe von Spannungsmessungen wird die Wirkung des Integrationsfehlers vermindert. Daher werden häufig Spannungsmessungen und Strommessungen kombiniert. Sie führen über Modellrechnungen zu Schätzungen des Batterieladezustandes, welche jedoch häufig beträchtliche Fehler aufweisen. Als wichtige nicht elektrische Größe wird die Batterietemperatur oftmals zusätzlich berücksichtigt, weil sie einen erheblichen Quereinfluss hat. Ebenso ist die Alterung der Batterie eine wichtige Einflussgröße. Die Bestrebung, über die Modellrechnung zutreffende Schätzungen, zu erhalten, führte zu komplexen Modellen mit einer Reihe von Parametern. Teilweise werden die Modellparameter adaptiv ermittelt oder nachgeführt. Eine Verbesserung dieser Modellierung kann durch das Erfassen zusätzlicher Messgrößen durch neue Verfahren erreicht werden.
Es sind auch Lösungen bekannt, die in der Kombination von elektrischer Stimulation und Messungen bestimmte Zustandsparameter der Batteriezellen ermitteln. Hierzu gehört das Verfahren der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, welches den kapazitiven und ohmschen Anteil des Innenwiderstandes bei verschiedenen Frequenzen analysiert. Dazu wird beispielsweise ein Wechselstrom durch die Zelle geleitet und die Spannungsantwort synchron ausgewertet. Eine erweiterte Darstellung hierzu findet sich in ’Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I, II’ (Andre et al., Journal of Power Sources, 2011).
Bei den Verfahren auf Basis elektrischer Messgrößen - mit und ohne gezielte Stimulationen - kann sich nachteilig auswirken, dass die Modelle nicht alle Quereinflüsse und Betriebsbedingungen berücksichtigen können.
Nur wenige Verfahren erfassen über die vorgenannten Größen hinaus weitere Parameter, wie beispielsweise den Zelleninnendruck oder den Elektrolytfüllstand. Dabei werden direkte - von den elektrischen Größen unabhängige - Messprinzipien angestrebt.
Für den Elektrolyten von Bleibatterien ist seit langem bekannt, dass sich die gravimetrische Dichte mit dem Ladezustand ändert. Ebenso ist bekannt, dass auch die optische Dichte und damit verbunden der Brechungsindex beeinflusst wird. Eine Untersuchungsmethode dazu basiert auf der Entnahme von Elektrolytproben und deren Vermessungen mit einem Refraktometer. Es sind außerdem Verfahren vorgeschlagen worden, die Änderung des Brechungsindex mit Hilfe von in den flüssigen Elektrolyten eingetauchten Lichtleitfasern auszuwerten. Der Artikel ’Density measurement into lead-acid-batteries with multi-point optical fibre sensors’ (J. Marcos-Acevedo et al., I2MTC 2009 - International Instrumentation and Measurement Technology Conference, IEEE 2009) stellt eine Lösung dafür vor.
Für moderne Lithium-Ionen-Batterien ist eine faseroptische Beobachtung des Elektrolyten für die Ermittlung des Ladezustandes nicht geeignet. In der Technologie der Lithium-Ionen- Batterien hat der Elektrolyt die Funktion der lonenleitung zwischen den speichernden Elektrodenmaterialien.
Dabei wird der Elektrolyt im Batterieprozess chemisch nicht verändert und es liegen keine vergleichbaren Veränderungen, wie beim Elektrolyten der Bleibatterie vor. Insofern kann der Vorschlag des vorgenannten Artikels nicht umgesetzt werden.
Für die Laboruntersuchung - jedoch nicht für die praktische Batterieanwendung - sind Untersuchungsmöglichkeiten bekannt, die mit der Zerlegung der Batteriezelle verbunden sind. Diese Untersuchungen sind unter der Bezeichnung Post-Mortem-Analyse bekannt. Sie umfassen auch das speichernde Elektrodenmaterial.
Aus diesen Untersuchungen ist bekannt, dass sichtbare Farbveränderungen der Elektrodenoberfläche in Abhängigkeit vom Ladezustand auftreten können. So variiert beispielsweise die Farbe bei Graphit-Anoden ladungsabhängig zwischen schwarz-grau über blau und rot bis hin zu metallisch-goldenen Farbeindrücken. Der Artikel 'Direct in situ measurements of Li transport in Li-ion battery negative electrodes’ (Stephen Harris et al., Chemical Physics Letters, 2010) zeigt diesen Effekt und stellt die optische Beobachtung von Graphit-Elektroden mittels Mikroskop käme ras vor.
Weiterhin ist aus aktueller Forschungstätigkeit bekannt, dass die ladungsabhängigen optischen Effekte durch bestimmte Additive verstärkt werden können. Dies wird im Artikel 'Method and Measurement Setup for Battery State Determination Using Optical Effects in the Electrode Material’ (Valentin Roscher und Karl-Ragmar Riemschneider, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2018) beschrieben. Wie dort geschildert, bewirkt beispielsweise der Zusatz von Indium-Zinn-Oxid als elektrochromer Marker bei Lithium- Eisenphosphat-Kathoden eine deutliche Veränderung der Reflektivität, wenn Lithium-Ionen in diesem Elektrodenmaterial ein- oder ausgelagert werden. Diese ist als Abdunklung oder Aufhellung der Kathode sichtbar. Zu diesem Zweck wurden Testzellen mit transparenten Fenstern entwickelt, welche Kamerabeobachtungen im Labor ermöglichen. Diese Testzellen und die Verwendung von Kameras sind jedoch für gewöhnliche Batterieanwendungen nicht geeignet. Kommerzielle Zellen mit mehrschichtigem Zellaufbau sind zudem nicht durch außenliegende Fenster beobachtbar.
Um die üblichen Zellenkonstruktionen weit weniger zu verändern, wurde bereits vorgeschlagen, präparierte Lichtleitfasern in die Elektroden einzubringen bzw. an die Elektroden heranzuführen. Der Artikel ’Optical characterization of commercial lithiated graphite battery electrodes and in situ fiber optic evanescent wave spectroscopy’ (Particia Nieva, Abdul Ghannoum et al., ACS Applied Materials and Interfaces, 2016) beschreibt dies näher. Dort wird erläutert, dass das durch die präparierten Lichtleitfasern geführte Licht in messbare Wechselwirkung mit dem umgebenden Elektrodenmaterial tritt. Mit einem Lichtsensor können vom Ladezustand abhängige Verluste der Lichttransmission durch die Faser erfasst werden. Es wurde eine messtechnisch nutzbare Korrelation zwischen diesen Verlusten und dem Ladezustand nachgewiesen. Der Artikel Optische Batteriesensorik für Elektro-Fahrzeuge’ (Valentin Roscher und Karl-Ragmar Riemschneider, Automobil-Sensorik 2, Springer- Verlag, 2018) befasst sich mit optischen Effekten an den
Lithium-Eisenphosphat-Kathoden und erwähnt dazu passend die Möglichkeit der Einbringung von Glasfaser-Lichtwellenleitern in Lithium-Ionen-Batterien.
Obwohl der Ladezustand der Elektroden durch die eingebrachten Lichtleitfasern im Betrieb direkt beobachtbar wird, stehen dieser Anwendung des optischen Messprinzips noch erhebliche Nachteile gegenüber.
Sie sind durch die erforderlichen Lichtleitfasern bedingt, die bisher in der industriellen Batteriefertigung nicht eingesetzt werden. Insbesondere sind die Präparation der Faser und das Einbringen in die Elektrode technologisch aufwändige Schritte. Lichtleitende Glasfasern werden nach notwendiger Entfernung der äußeren Schutzschicht sehr empfindlich und brechen bereits bei geringen Belastungen durch Biegung, Scher- oder Zugbeanspruchung. Diese mechanischen Belastungen sind in industriellen Herstellungsprozessen kaum vermeidbar. Die Verwendung von Schutzumhüllungen für die Faser - wie in der Kommunikationsanwendung - ist nicht möglich.
Ein weiterer Nachteil ist, dass der regelmäßige Zellaufbau an der Stelle der Fasereinbringung in gewissem Umfang gestört wird. Dadurch kann das Verhalten an der Faser und in der übrigen Elektrodenfläche voneinander abweichen.
Ein zusätzlicher Nachteil bei der Erfassung des Ladezustandes der Batterie mit Lichtleitfasern ist, dass die Anzahl der eingebrachten Fasern aus Aufwandsgründen eher gering sein sollte.
Typischerweise kann nur eine Faser je Elektrode eingebracht werden. Somit ist nur ein Messwert entlang der Faser erfassbar, welcher mit einer geringen Stichprobe die gesamte Fläche der Elektrode repräsentieren muss. Im Falle einer inhomogenen Elektrode wäre eine lokale Abweichung in einiger Entfernung von der Faser nicht beobachtbar. Eine solche Inhomogenität könnte aber eine Schwachstelle der Zelle bilden, welche eigentlich zu erfassen wäre.
Bekanntes Schrifttum zum Stand der Technik
Nachfolgend sind Patentschriften zusammengestellt, die den Stand der Technik beschreiben. Darauf aufbauend greift die vorgeschlagene Erfindung bestehende Probleme auf und geht dabei über den bekannten Stand der Technik hinaus. Dabei werden zum einen optische Methoden genannt sowie anschließend weitere Verfahren, die ebenfalls die Erfassung zusätzlicher Messgrößen zum Gegenstand haben, jedoch nicht auf optischen Methoden basieren.
Die Patentschrift US20170131357A1 (Patricia Nieva et. al., 2015) befasst sich mit der Bestimmung des Zustandes von Lithium-Ionen-Batterien über Glasfaser-Lichtleiter. Die Erfindung nutzt Glasfaser-Lichtwellenleiter, die für eine industrielle Fertigung erhebliche Nachteile aufweisen. Die Schrift weicht durch die Verwendung von Glasfasern deutlich von der vorgeschlagenen Erfindung ab, die zum Gegenstand hat, eine Lösung ohne Glasfasern anzubieten.
Die Patentschrift US9553465B2 (Ajay Raghavan, PARC Inc., 2014) befasst sich mit Batteriemanagement mittels in die Zelle eingebrachten Glasfaser-Lichtwellenleitern. Die Erfindung nutzt Glasfaser-Lichtwellenleiter, um Gasentwicklung in der Zelle zu detektieren. Sowohl in der messtechnischen Aufgabe als auch in der Verwendung der Glasfaser weicht dies deutlich von der vorgeschlagenen Erfindung ab.
Die Patentschrift US20150280290A1 (Bhaskar Saha, PARC Inc., 2015) befasst sich mit der Erfassung der Interkalationsstufen in Lithium-Ionen-Batterien mittels Glasfaser- Lichtwellenleitern. Auch hier müssen zusätzlich Glasfasern eingebracht werden, auf die in der vorliegenden Erfindung verzichtet wird.
Die Patentschrift US5949219A (Jonathan Weiss, 1998) beschreibt die Erfassung des Ladezustandes mittels Glasfaser-Lichtleitern in Blei- und Lithium-Batterien. In Lithium- Batterien wird dazu die Absorption des Elektrodenmaterials gemessen, indem mehrere Glasfasern in die Zelle eingebracht werden, von denen eine Licht emittiert, welches von den restlichen Fasern nach Wechselwirkung mit der Umgebung zu einem Lichtsensor geleitet wird. Für Bleibatterien wird eine Lösung genannt, die eine Glasfaser, die in eine Glas-Matte gewoben wurde, beinhaltet. Die Matte dient hierbei der Platzierung und Fixierung der lichtleitenden Glasfaser und nimmt nicht am Messprozess teil. In diesem Fall wird also ebenfalls eine lichtleitende Glasfaser verwendet und nicht, wie in der eigenen Lösung vorgeschlagen, der gesamte flächige Separator.
Die Patentschrift US6356478B1 (Jonathan Weiss, 2002) beschreibt einen faseroptischen chemischen Sensor für Bleibatterien. Diese Schrift betrifft die Erfassung des Elektrolytzustandes und nicht der Elektroden. Zudem werden Glasfaser-Lichtwellenleiter eingesetzt. Die Lösungen gemäß dieser Patentschrift sind für Bleibatterien geeignet, sie sind nicht in Lithium-Ionen-Batterien einsetzbar. Die Patentschrift EP3098879A1 (Stephan Leuthner, Calin Wurm, 2015) beschreibt die Erfassung von Zersetzungsprodukten der Kathode. Die Lösung ist nur in der Lage, eine vollständige oder teilweise Zerstörung der Zelle festzustellen, welche bei starker Alterung mit einem zumindest teilweisen Funktionsausfall verbunden ist. Es geht also nicht um die Erfassung des Ladezustandes im regulären Betrieb. Die Lösung nutzt dafür als Ausführungsbeispiel einen optischen Sensor, der wiederum die Verfärbung eines Indikatormaterials erfasst, das mit unerwünscht entstehendem Sauerstoff reagiert. Auch wenn in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein lichtleitender Separator für die Lichtzuführung hin zum Sensor vorgeschlagen wird, wird ausschließlich das Indikatormaterial beobachtet. Im Detail kommt noch die Notwendigkeit eines gesonderten Indikatorstoffes (z.B. Indigo, Leukomethylenblau bzw. Luminol) hinzu, der mit dem im Fehlerfall entstehenden Sauerstoff reagiert. Damit ist diese Patentschrift sowohl in der Aufgabe als auch in der technischen Umsetzung von den Vorschlägen der eigenen Erfindung zu unterscheiden.
Die Patentschrift EP2883260B1 (James Dvorsky, Steven Rissner, 2013) beschreibt eine Möglichkeit für die Meldung des Auftretens von Dendriten in Lithium-Ionen-Batterien. Diese Dendritenbildung erfolgt nicht im üblichen Batteriebetrieb, sondern ist ein Symptom schwerer Schädigung der Batteriezelle. Damit wird wie in der vorherigen Schrift sich die Aufgabe gestellt, einen Zustand der besonderen Alterung bis hin zum Funktionsausfall zu melden. Es wird dazu eine Messung der Lichtdurchlässigkeit des Separators vorgeschlagen. Im Detail unterscheidet sich diese Messung dadurch, dass keine flächige Erfassung von Effekten erfolgt, sondern nur die punktweise entstehenden Dendriten gewissen Einfluss auf die Lichtleitung durch den Separator haben. Dabei wird ausgenutzt, dass der Separator an den Stellen der Dendriten beschädigt oder zerstört wird.
Dies liegt bei der eigenen Lösung nicht vor. Hier geht es um den gewöhnlichen Batteriebetrieb, in dem der Separator nicht beschädigt ist. Damit unterscheidet sich diese Schrift in drei Aspekten von der vorliegenden Erfindung (i) Zunächst ist die Aufgabe deutlich unterschiedlich: die genannte Veröffentlichung will lediglich eine untypische kritische Situation melden. Die vorliegende Erfindung hingegen will eine Ladezustandsüberwachung als reguläre Wertmessaufgabe des Batteriemanagements kontinuierlich durchführen (ii) Weiterhin betrifft die genannte Veröffentlichung die Erfassung eines punktuellen Effektes einzelner auftretender Dendriten. Die vorliegende Erfindung will einen flächigen Effekt der gesamten Elektrodenoberfläche erfassen (iii) Zudem sind die Lösungen der genannten Schrift durch das Eindringen der Dendriten in die Separatorschichten mit irreversiblen Veränderungen dort verbunden. Diese irreversible und einmalige Funktionsweise unterscheidet sich von der vorliegenden Erfindung dadurch, dass hier eine voll reversible Wirkungsweise vorliegt, insbesondere dadurch, dass der Separator nicht beschädigt wird.
Die Patentschrift DE102014218277A1 (Jean Fanous, Martin Tenzer, 2014) beschreibt einen Separator, der eine elektrisch leitfähige Schicht einschließt, mit dem Ziel ein Dendritenwachstum zu detektieren. Dazu befindet sich die elektrisch leitende Schicht des Separators im normalen Betriebszustand nicht im elektrischen Kontakt mit den Elektroden. Bei Dendritenwachstum wird die normale Separatorschicht zerstört und ein Kurzschluss mit dem elektrisch leitfähigen Teil erzeugt, der durch einen separaten elektrischen Kontakt detektiert werden kann. In dieser Schrift findet keine optische Messwerterfassung statt, ebenso keine Erfassung des Ladezustandes.
Die Patentschrift US20090104510A1 (Ricardo Fulop, 2008) beschreibt eine Batteriezustandsüberwachung mittels einer in die Zelle eingebrachten Referenzelektrode. Es werden zwar Messfühler in die Batterie eingebracht, es erfolgen jedoch keine optischen Messungen.
Die Patentschrift W02006077519A1 (Peter Notten, 2006) befasst sich mit Druck- und Deformationsmessungen in Batteriezellen. Es werden keine optischen Messungen durchgeführt. Die Patentschrift W02004047215A1 (Karl-Ragmar Riemschneider, 2003) beschreibt ein drahtloses Batteriemanagementsystem. Diese Lösung nutzt zwar Elektronik für die Zellüberwachung, gewinnt ihre Daten jedoch ausschließlich über elektrische Messungen.
Die Patentschrift US5667538A (John C. Bailey, 1991) beschreibt eine optische Darstellung des Ladezustandes. Die Zustandserfassung erfolgt ausschließlich über elektrische Messungen, lediglich die Darstellung des Zustandes erfolgt optisch.
Aufgabe und Lösungsvorschlag der Erfindung
Ausgehend vom geschilderten Stand der Technik sollen optische Messprinzipien für die Bestimmung des Ladezustandes für industriell gefertigte Zellaufbauten eingesetzt werden. Dabei sollen die vorgenannten Nachteile überwunden werden.
Für die Erfindung stellen sich daher die folgenden Aufgaben. Sie soll im industriellen Herstellungsprozess der Zellen stabil und mit wenig Aufwand umsetzbar sein. Sie soll keine erhebliche Abweichung des Zellaufbaus im aktivem Bereich der Elektroden erfordern und damit nahezu keine Veränderung des Batterieprozesses bewirken. Sie soll möglichst großflächig die optischen Effekte an den Elektroden erfassen, um daraus den Ladezustand zu bestimmen.
Die Erfindung hat zum Ziel die genannten Aufgaben dadurch zu lösen, dass der zwischen den Elektroden platzierte Separator zur Lichtleitung genutzt wird und auf Lichtleitfasern verzichtet wird. Der Separator berührt beidseitig die jeweiligen Elektrodenoberflächen der Anode und der Kathode. Dabei erfolgt die optische Wechselwirkung großflächig. Der Schichtaufbau der Zelle und das für die lonenspeicherung genutzte Aktivmaterial bleibt dabei unverändert. Es sind keine Lichtleitfasern in der Zelle erforderlich. Am Separator muss eine Einkopplung des Lichtes erfolgen. Dazu kann eine umschlossene Lichtquelle wie beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) genutzt werden. Die Einkopplung kann an der Stirnseite oder großflächig erfolgen. Bei letzterem kann vorteilhaft ein Prisma eingesetzt werden. In vergleichbarer Weise kann die Auskopplung des Lichtes erfolgen und mit einem Lichtsensor erfasst werden.
Die flächige Wechselwirkung bezieht sich hierbei auf eine Wechselwirkung an den Grenzflächen zwischen dem Separator und mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Zudem ist die Wechselwirkung von der lokalen Lichtleistung im Separator abhängig, die Wechselwirkung wird über der Flächenintegral erfasst. Mit der technisch möglichen Messauflösung werden optische Effekte an mindestens 10% der gesamten Separator- Elektroden-Grenzfläche abgedeckt. Typischerweise ist der erfassbare Wechselwirkungsbereich der Grenzflächen aber größer als 50% bis hin zu über 90%. Der Bereich kann daher als großflächig bezeichnet werden.
Durch die Erfassung des von einer Einkopplung in den Separator bis zu einer Auskopplung durchgeleiteten Lichtes ist der Umfang der Wechselwirkung mit dem Elektrodenmaterial messbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Für die vorgeschlagene Lösung kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass bereits viele gebräuchliche Separatormaterialien transparent oder transluzent sind. Damit haben sie zumindest partiell lichtleitende Eigenschaften. Diese Eigenschaft wird im Allgemeinen durch die Benetzung mit dem Elektrolyten noch verbessert. Durch die Wahl eines Separatormaterials mit geeignetem Brechungsindex gegenüber dem Elektrolyten kann das Ausbrechen des Lichtes beeinflusst werden. Damit kann der Verlust des eingekoppelten Lichtes im Verhältnis zur Strecke der Durchleitung eingestellt werden.
Separatoren werden in der Regel dahingehend optimiert, dass sie eine sichere elektrische Trennung der Elektroden gewährleisten, jedoch auch gute lonenleitung ermöglichen. Ein günstiger lonendurchtritt wird durch eine hohe Porosität oder eine gewebte und durchlässige Struktur erreicht. Insbesondere durch die zahlreichen Poren des Separatormaterials tritt das eingeleitete Licht durch Streuung, Reflexion und Beugung aus dem Bereich des Separators aus. Das fördert die intensive und großflächige Wechselwirkung mit den umgebenden Elektrodenoberflächen. Damit ist dies für die Ausprägung des messtechnisch genutzten Effektes wünschenswert.
Andererseits wirkt die Porenstruktur der Lichtleitung zwischen Lichtquelle und Lichtsensor entgegen. Dies kann über längere Strecken zu unerwünscht hohen Verlusten der Lichtleistung führen. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann die Lichtleitung des Separators bzw. der Separatorfolie partiell verbessert werden. So können lichtleitende Linienstrukturen oder schmale Streifen im Separator erzeugt werden. Diese weisen für einen schmalen, linienartigen Bereich eine reduzierte Porosität auf. Damit kann das eingeleitete Licht von der Quelle aus in der Fläche des Separators weitgehend gleichmäßig verteilt werden.
Ebenso kann das Licht aus der Fläche an den Sensor geführt werden. Geeignet sind beispielsweise baumartige Verzweigungen für die zu- und ableitende Linienstruktur oder Streifen mit verringerter Porosität. Diese können so angeordnet sein, das zwischen ihnen nur geringe Strecken im Separator durchleuchtet werden. Insgesamt bleibt die Porenanzahl des Separators nahezu gleich. Ausgleichend für die Linien mit verringerter Porenzahl kann die Porosität in den übrigen, wesentlich größeren Flächen, geringfügig erhöht werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante betrifft die Herstellung der vorgenannten Linienstrukturen. Für viele als Separator gebräuchliche Polymerfolien ist es durch eng begrenzte Wärmebehandlung möglich, lichtleitende Linienstrukturen durch lokal stark begrenztes Anschmelzen herzustellen. Dies kann mit erhitzten Stempelformen für die Linien oder durch räumlich eng begrenztes Laserlicht geschehen.
Eine Reihe von weiteren Ausführungsvarianten ist vorteilhaft. So ist die Verwendung kostengünstiger mehrfarbiger Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen zu nennen. Die Lichtsensoren können als Fotodiode, Fotowiderstand oder Fototransistor realisiert werden. Auch integrierte Bauformen der Lichtsensorik als Teil eines Silizium-Chips in Kombination mit weiteren Funktionseinheiten sind für die Lichterfassung vorteilhaft.
Die Steuerung der Lichtquellen und die Auswertung der Lichtsensoren kann vorteilhaft mit einer Mixed-Signal-Schaltung in Kombination mit einem Mikrocontroller erfolgen.
Beschreibung der Zeichnungen
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1a und 1b: Schematische Beispiele für die Anwendung in verschiedenen Batteriezellentypen.
Fig. 2: Ein Ausführungsbeispiel für eine Batteriezelle mit gewickeltem Aufbau.
Fig. 3a bis 3d: Beispiele für die Position der Lichtquellen und Lichtsensoren. Fig. 4: Eine Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes.
Fig. 5: Eine weitere Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes.
Fig. 6: Ein Ausführungsbeispiel mit Separatorbereichen unterschiedlicher Porosität.
Fig. 7: Ein Ausführungsbeispiel mit einer fluoreszierenden Komponente am Separator.
Fig. 8: Die Verwendung von mehreren Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen.
Fig. 9: Die Verwendung von mehreren Lichtsensoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche.
Fig. 10 Eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 11 Eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Grundlage mehrerer Wellenlängen.
Fig. 12 Eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Grundlage einer Multiplexmessung.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Die Zeichnungen Fig. 1a und 1b dienen der Verdeutlichung des grundlegenden Lösungsvorschlags der Erfindung.
Die Zeichnung Fig. 1a zeigt schematisch den Einsatz der Erfindung an einer Pouchzelle oder einer prismatischen Zelle. Es wird dort grafisch vereinfacht nur eine gefaltete Schichtlage dargestellt. Von der/den Lichtquelle(n) 100 wird Licht 129 mit einem Einkopplungselement 102 in den Separator bzw. die Separatorfolie 103 eingebracht. Diese Separatorfolie befindet sich zwischen der positiven Elektrode bzw. Elektrodenfolie 106 und der negativen Elektrode bzw. Elektrodenfolie 108. Nachdem das Licht eine Strecke im Separator zurückgelegt hat, wird dieses Licht 130 mit einem Auskopplungselement 110 wieder ausgekoppelt und mindestens einem Lichtsensor 111 zugeleitet. Auf dieser Strecke ist eine optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektroden 106 bzw. 108 erfolgt. Durch diese Wechselwirkung wird die ausgekoppelte Lichtleistung beeinflusst. Diese veränderliche Leistung wird am Lichtsensor 111 messtechnisch erfasst und steht in Beziehung zum Ladezustand der Elektroden, welcher bestimmt werden soll.
Die Zeichnung Fig. 1b zeigt schematisch den Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung an einer Rundzelle, in der die Schichtlagen gewickelt sind. Die Komponenten und Bezugszeichen entsprechen der Fig. 1 a. Hier wird das Licht an einer Stirnseite flächig in den gewickelten Separator eingekoppelt. Dazu folgt das Einkopplungselement der Wicklung als Formgebung. Das Auskopplungselement befindet sich an der anderen Stirnseite. Es ist ebenfalls so ausgeführt, dass eine Auskopplung aus der Fläche erfolgt. Hierzu ist gleichfalls ein Auskopplungselementvorgesehen, das der Wicklung in der Form folgt.
Die Zeichnung Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel an einer Zelle mit gewickelten Schichtlagen. Von der/den Lichtquelle(n) 200 wird an einem Wicklungsende der Separatorfolie 203 das Licht 229 mit einem Einkopplungselement 202 in die Separatorfolie eingebracht. Diese Separatorfolie befindet sich in einer mehrlagigen Wicklung zwischen der positiven Elektrodenfolie 206 und der negativen Elektrodenfolie 208. Das Licht folgt der Wicklung von außen ins Zentrum der Wicklung. Auf dieser Strecke erfolgt eine optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen 206 bzw. 208. Der Separator und die Elektroden sind mit zunehmender Wicklung stärker gekrümmt. Durch diese Krümmung wird die Wechselwirkung verstärkt. Im Zentrum befindet sich ein stabförmiges Auskopplungselement 210. Hier wird das verbleibende Licht ausgekoppelt 230 und mindestens einem Lichtsensor 211 zugeführt. In einer Variation dieses Ausführungsbeispiels kann die Position von Lichtsensor und Lichtquelle getauscht werden. Dann durchläuft das Licht die Wicklung von innen nach außen. Die Wechselwirkung ergibt sich in vergleichbarer Weise.
Die Zeichnungen Fig. 3a, 3b, 3c und 3d zeigen verschiedene Positionen von Lichtquellen 300 und Lichtsensoren 311 im Aufbau einer Zelle mit gewickelten Schichtlagen. Die schematische Darstellung blickt auf die Stirnseite der Wicklung. Im Einzelnen sind folgende Komponenten dargestellt: Lichtquelle 300, einzukoppelndes Licht 329, Separator bzw. Separatorfolie 303, positive und negative Elektroden bzw. Elektrodenfolien 306 bzw. 308, alle von der Stirnseite betrachtet, ausgekoppeltes Licht 330 und Lichtsensor 311.
Die Zeichnung Fig. 3a zeigt eine Anordnung, in der das Licht von der Außenseite der Wicklung eingeleitet wird und im Zentrum messtechnisch erfasst wird.
Die Zeichnung Fig. 3b zeigt eine Anordnung, in der das Licht im Zentrum der Wicklung eingeleitet wird und an der Außenseite messtechnisch erfasst wird.
Die Zeichnung Fig. 3c zeigt eine Anordnung, in der das Licht von der Außenseite der Wicklung eingeleitet wird, durch das Zentrum geleitet wird und wiederum an der Außenseite messtechnisch erfasst wird.
Die Zeichnung Fig. 3d zeigt eine Anordnung, in der das Licht im Zentrum der Wicklung eingeleitet wird, zur Außenseite der Wicklung geleitet wird, dort zurück zum Zentrum geführt wird und wiederum im Zentrum messtechnisch erfasst wird. Letztere Position kann vorteilhaft den fertigungstechnisch bedingten zylindrischen Hohlraum in einer gewickelten Zelle ausnutzen. Dort können beispielsweise auch Ein- und Auskopplungselemente und Lichtdiffusoren zur gleichmäßigen und flächigen Verteilung des ein- und auszukoppelnden Lichtes in die Separatorfolie platziert werden. Gleiches gilt für eine kompakte Auswerteelektronik.
Die Zeichnung Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung für die Ein- und Auskopplung des Lichtes als Ausführungsbeispiel. Das Licht 429 von der/den Lichtquelle(n) 400 wird einem Prisma 402 zugeführt. Dort wird es nach den bekannten Brechungsgesetzen des Prismas im Strahlwinkel so beeinflusst, dass eine effektive Einkopplung in den flächigen Separator 403 erfolgt. Das Licht breitet sich dann in der Fläche des Separators gerichtet aus 412. Nach dem Durchlauf durch diese Fläche und der Wechselwirkung mit mindestens einer der anliegenden Elektroden 406 und 408 wird das Licht 430 mit einem Prisma 410 ausgekoppelt. Hier wird der Strahlwinkel aus der Fläche zum Lichtsensor 411 gerichtet. Diese Ein- und Auskopplung mit Prismen hat den Vorteil, dass die Verluste zwischen Lichtquelle und Separator bzw. Separator und Lichtsensor gering sind und vergleichsweise große Flächen und Winkelbereiche in der Konstruktion zuzulassen sind. Dies ist vorteilhaft gegenüber einer direkten Einkopplung in die flachen Stirnbereiche des Separators bzw. der Separatorfolien. Die Prismen können auch nach dem Fresnel-Prinzip gestaltet werden. Sie können auch als Verformung des Separators ausgebildet werden oder mehrere Separatorschichten mit einer Prismenstruktur umfassen. Prismen können auch separat ausschließlich für die Einkopplung oder ausschließlich für die Auskopplung zum Einsatz kommen. Die Gehäuse der Lichtquellen und -sensoren können so ausgeformt werden, dass sie bereits selbst passende Prismenstrukturen aufweisen.
Die Zeichnung Fig. 5 zeigt eine weitere schematische Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes. Insbesondere wird ein mehrfacher Schichtaufbau aus Separator 503, Elektrodenfolien aus positivem Aktivmaterial 506 und negativem Aktivmaterial 508 und Stromableitern für die positive Elektrode 507 und für die negative Elektrode 509 gezeigt. Hier wird das Licht 529 aus mindestens einer Lichtquelle 500 den Einkopplungselementen 502 zugeführt. Diese Einkopplungselemente 502 sind aus dem Separatormaterial geformt und aufgeweitet, so dass sie ein mehrfaches der Separatorstärke aufweisen. Auf diese Weise kann nahezu die gesamte Höhe des Schichtaufbaus bzw. die gesamte Stirnfläche eines gewickelten Schichtaufbaus zur Einkopplung genutzt werden. Nach dem Durchlauf und der Wechselwirkung des Lichtes mit mindestens einer der anliegenden Elektrodenoberflächen 506 und 508 kann in vergleichbarer Weise eine Auskopplung des Lichtes unterstützt werden. Hierzu haben die Auskopplungselemente 510 ebenfalls eine Aufweitung. So kann ebenfalls nahezu die gesamte Höhe des Schichtaufbaus zur Auskopplung genutzt werden. Anschließend wird das ausgekoppelte Licht 530 vom Lichtsensor 511 erfasst. Gleiches gilt für die Stirnseiten von Wickelaufbauten. Technologisch vorteilhaft kann die Umformung für die Ein- und Auskopplungselemente 502 bzw. 510 thermisch erfolgen. Bei der Aufweitung können auch konische Prismen oder Mikrolinsenstrukturen geformt werden. Diese können in Lochstrukturen der elektrischen Zusammenfassung und Ableitung aus den Stromableiterfolien platziert werden.
Es sei angemerkt, dass auf einer Seite des Separators die Einkopplung bzw. Auskopplung gemäß der in Fig. 4 beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, während auf der anderen Seite des Separators die die Einkopplung bzw. Auskopplung gemäß der in Fig. 5 beschriebenen Ausführungsform verwendet wird.
Die Zeichnung Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Separatorbereichen unterschiedlicher Porosität. Die Porosität bezeichnet dabei das Volumenverhältnis von Separatormaterial und nicht gefüllten Hohlräumen. Sie kann näherungsweise über Dichtemessungen (Verhältnis Masse zu Volumen) bestimmt werden. Die Porosität kann beispielsweise durch eine zumindest an einer Oberfläche des Separators vorgesehene offenzeilige Struktur eingestellt werden. Eine größere Porosität liegt dann vor, wenn das Verhältnis von offenzeilig zugänglichen Volumina im Separatorkörper, oder durch Oberflächenrauhigkeit geschaffene Volumina an entweder dem Separatorkörper oder den Elektrodenflächen in Bezug auf das Gesamtvolumen des Separatorkörpers größer ist.
Separatorwerkstoffe haben typischerweise eine hohe Porosität, um den Elektrolyten in den Poren aufzunehmen und damit die lonenleitfähigkeit sicherzustellen. Eine hohe Porenzahl führt zu intensiven Lichtstreu ungs- und -beugungseffekten. Diese Effekte tragen einerseits zur Förderung der Wechselwirkung bei, andererseits führen sie zu starken Lichtverlusten. Diese Verluste können die praktisch nutzbare Strecke, die das Licht durchlaufen kann, begrenzen. Wird diese nutzbare Strecke überschritten, sind die am Sensor verbleibenden Lichtleistungen messtechnisch ungünstig und schwer vom thermischen Rauschen zu trennen.
Es wird daher vorgeschlagen, den Separator mit Bereichen auszustatten, in denen die Porenzahl reduziert ist, was als geringere Porosität zu verstehen ist. In diesen verlustarmen Bereichen kann das Licht größere Strecken zurücklegen.
Insbesondere ist eine kammartige Formgebung dieser Bereiche mit niedriger Porosität möglich. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Lichtquellen 600, aus denen Licht 629 mit Hilfe eines Einkopplungselementes 602 in die Bereiche niedriger Porosität der Separatorfolie 604 eingeleitet wird. In diesen Bereichen wird das Licht linienartig in die Separatorfläche mit hoher Porosität 605 verteilt, um dort auf vergleichsweise kurzen Strecken 612 in optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen zu treten. Aus diesem Bereich wird das durchtretende Licht wieder in Strukturen mit niedriger Porosität 604 aufgenommen und an ein Auskopplungselement 610 weitergeleitet.
Von dort wird das ausgekoppelte Licht 630 in mindestens einem Lichtsensor 611 erfasst. In vielen Separatorwerkstoffen, insbesondere thermoplastischen Polymeren, sind die Bereiche mit niedriger Porosität günstig durch lokale Erwärmung herzustellen. In einer typischen Ausführungsform sind die verlustarmen Bereiche nur als schmale Linienstrukturen mit sehr geringem Flächenanteil auszuführen, damit die gewünschte Porosität des gesamten Separators nicht grundsätzlich verloren geht. Diese thermische Behandlung kann so kurzzeitig erfolgen, dass die Oberfläche einen niedrigeren Brechungsindex als das innenliegende Kernmaterial des Separators bekommt. Dies bewirkt nochmals eine Verringerung der Transmissionsverluste in den Bereichen niedriger Porosität.
Die Zeichnung Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer fluoreszierenden Komponente am Separator. Die Lichtquelle 700 koppelt zunächst Licht 729 eines bestimmten Wellenlängenbereichs über ein Prisma 702 in die Separatorfolie 703 ein. Beim Durchlaufen des Separators tritt es in Wechselwirkung mit dem umgebenden Material der positiven Elektrode 706 und/oder der negativen Elektrode 708. Nach dem Durchlaufen des Separators wird das Licht vom Separator in ein fluoreszierendes Material 714 geführt. Dort wird ein Teil des transmittierten Lichtes absorbiert und tritt vorzugsweise in einem anderen Wellenlängenbereich aus. Dieses Licht durchläuft den Separator und tritt am auskoppelnden Prisma 710 aus. Die vor- und rücklaufende Lichtausbreitung ist schematisch dargestellt 712 und 713. Mithilfe eines Wellenlängenfilters 715 wird die Fluoreszenzantwort vom Licht der ursprünglichen Lichtquelle 700 getrennt. Ein Lichtsensor 711 erfasst die transmittierte Lichtleistung des ausgekoppelten Lichtes 730 nach der Wechselwirkung. Mit Hilfe der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche von Ein- und Ausstrahlung wird eine unerwünschte Sättigung des Lichtsensors 711 vermieden, so dass er räumlich nah an der Lichtquelle 700 platziert werden kann.
Die Zeichnung Fig. 8 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, um durch Referenzwertbildung und damit erfolgende Vergleichsrechnung die Quereinflüsse anderer Größen wie Temperatur und Druck auf die Bestimmung des Ladezustandes zu vermindern. Gleichzeitig sollen systematische Messfehler wie schwankende Leistung der Lichtquelle infolge einer Alterung oder einer instabilen Stromversorgung kompensiert werden. Ähnliches gilt für Einflüsse auf die absolute Empfindlichkeit des Lichtsensors. Die absolute Lichtleistung kann auch durch Langzeitveränderung aller lichtführenden Komponenten verändert werden. Daher wird vorgeschlagen, mehrere Lichtquellen 800 und 801 zu nutzen. Diese Quellen haben eine unterschiedliche spektrale Charakteristik, bei der ein deutliches Maximum der abgestrahlten Lichtleistungen Pin 1 und Pin2 bei verschiedenen Wellenlängen lambda liegt. Diese Charakteristik ist schematisch in den Diagrammen 817 und 818 dargestellt. Die Lichtquellen werden im Zeitmultiplex mithilfe eines elektronischen Umschalters 819 so betrieben, dass sie in bestimmten Phasen eines Zyklus eingeschaltet und in anderen Phasen ausgeschaltet sind. Von den Lichtquellen wird das Licht 829 in den Separator 803 eingekoppelt. Das Licht durchläuft die Batteriezelle 831 und tritt dort in die Wechselwirkung mit den Elektrodenoberflächen. Das ausgekoppelte Licht 830 wird von mindestens einem Lichtsensor 811 mit spektral breitem Erfassungsband, welches die Maxima der Charakteristik der Lichtquellen einschließt, erfasst. Der Ausgangswert des Lichtsensors 811 wird in speichernden Elementen 822 bzw. 823 zwischengespeichert. Die Auswahl 820 des jeweiligen speichernden Elementes wird synchron 821 mit der Einschaltphase einer der Lichtquellen gesteuert. Damit werden die Transmissionsleistungen Poutl und Pout2 der jeweiligen Lichtquellen getrennt erfasst. Von Vorteil ist dies insbesondere, wenn der Ladezustand der Elektroden eine unterschiedliche spektrale Verteilung der durchtretenden Lichtleistung bewirkt. Dieses ist in den Diagrammen 825 und 826 schematisch dargestellt. Die gestrichelte Linie symbolisiert beispielsweise den geladenen Zustand und die durchgehende Linie den entladenen Zustand. Mithilfe einer Vergleichsrechnung 824 der zwischengespeicherten Werte von Poutl und Pout2, insbesondere mithilfe der Division, kann ein von der absoluten Lichtleistung weitgehend unabhängiger Wert X ermittelt werden. Dieser Ausgangswert X ist schematisch im Diagramm 827 dargestellt. Die Vergleichsrechnung wird so parametrisiert, dass sich ein möglichst eindeutiger, z. B. linearer, Zusammenhang zwischen dem Ladezustand (State of Charge), und dem Ausgangswert X ergibt. In der Zeichnung Fig. 8 werden aus Übersichtsgründen zwei Lichtquellen und ein Lichtsensor dargestellt, die sinngemäße Erweiterung auf mehr als zwei Lichtquellen sowie die Verwendung und vergleichende Signalauswertung von mehr als zwei Lichtsensoren soll hierdurch nicht beschränkt werden.
Die Zeichnung Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Lichtsensoren, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche erfassen sollen. Dabei wird das aus der Lichtquelle 900 abgestrahlte Licht 929 in den zwischen den Elektroden angeordneten Separator 903 innerhalb der Batteriezelle 931 eingekoppelt. Dort erfolgt die zu erfassende Wechselwirkung. Das Licht wird aus dem Separator ausgekoppelt 930 und zwei Wellenlängenfiltern zugeführt 915 bzw. 916. Diese Filter können vorteilhaft aus farbig transparentem Material gebildet werden. Die Filter können als Prismenanordnung ausgeführt werden, welche verschiedene Spektralbereiche unterschiedlichen Abstrahlwinkeln zuordnet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von verschiedenen Mikrogittern. Hier können Zeilen- oder Array- Strukturen mit mehreren Lichtsensor-Elementen verwendet werden. In den nachgelagerten Lichtsensoren 911 werden nach Spektralbereichen separierte Ausgangsleistungen ermittelt. Diese können optional integriert oder aufsummiert werden 932 und 933, damit Rauscheinflüsse reduziert werden. Die Ausgangswerte 934 und 935 werden einer Vergleichsrechnung 924 unterzogen, um einen Ausgangswert 928 zur Indikation des Ladezustandes zu erhalten, der weniger von der absoluten Transmission des gesamten Spektrums abhängt. Dabei ist von Vorteil, dass die Quereinflüsse stark auf die absolute Transmission einwirken und im Wesentlichen wellenlängenunabhängig sind. Gleiches gilt für Leistungsschwankungen der Lichtquellen und weitere Alterungseffekte. In der Zeichnung Fig. 9 werden nur eine Lichtquelle und zwei Lichtsensoren dargestellt, die sinngemäße Erweiterung auf mehr als eine Lichtquelle sowie die Verwendung und vergleichende Signalauswertung von mehr als zwei Lichtsensoren ist hierdurch nicht beschränkt. Eine Kombination der Verfahren gemäß Zeichnung Fig. 8 und Zeichnung Fig. 9 kann vorteilhaft sein.
Die Zeichnung Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm für die Bestimmung des Ladezustands der Batterie mittels Lichtleitung durch den Separator. Dabei laufen die folgenden Schritte ab. Zuerst erfolgt eine Erzeugung 1040 des Lichtes aus einer Lichtquelle, dann eine Einkopplung 1041 in den Separator. In diesem geschieht eine Durchleitung und Wechselwirkung 1042 des Lichtes mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Nach der Auskopplung 1043 des Lichtes aus dem Separator, erfolgt die messtechnische Erfassung 1044 der Lichtleistung. Diese wird zur Bestimmung des Ladezustandes 1045 der Batteriezelle genutzt.
Die Zeichnung Fig. 11 zeigt ein weiteres Flussdiagramm für die Bestimmung des Ladezustandes der Batterie mittels Lichtleitung durch den Separator. Dabei wird eine Vergleichsrechnung verschiedener Lichtleistungen verwendet. Es erfolgt die Erzeugung von Licht 1140 mit einer Lichtquelle, die vorteilhaft breitbandig ist. Anschließend erfolgt die Einkopplung 1141 in den Separator. Hier erfolgt die Lichtausbreitung und Wechselwirkung 1142 des Lichtes mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Danach folgt die Auskopplung 1143 aus dem Separator. Dem sind verschiedene Wellenlängenfilter 1146 nachgeordnet. Vorteilhaft wird hierbei ein Filter je Lichtsensor verwendet. Die Erfassung der Lichtleistungen 1144 in Abhängigkeit der Wellenlänge erfolgt damit. Eine Vergleichsrechnung 1147 von mindestens zwei Lichtleistungen für verschiedene Wellenlängenbereiche erfolgt im Anschluss und dient zur Bestimmung des Ladezustandes 1145. Dieser Vergleich bietet vorteilhaft auch die Möglichkeit zur Verringerung von Quereinflüssen oder Exemplarstreuung der Messkomponenten, da die bestimmte Kenngröße relativen und nicht mehr absoluten Charakter besitzt.
Die Zeichnung Fig. 12 zeigt ein weiteres Flussdiagramm für die Bestimmung des Ladezustandes der Batterie mittels Lichtleitung durch den Separator. Dabei wird eine weitere vorteilhafte Variante der Vergleichsrechnung verschiedener Lichtleistungen verwendet. Es erfolgt die Erzeugung von Licht 1240 mit mindestens zwei Lichtquellen, die unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen. Sie werden jeweils für getrennte Zeitspannen separat eingeschaltet. Die Zeitspannen werden von einer Synchronisiereinheit 1248 gesteuert. Anschließend erfolgt die Einkopplung 1241 in den Separator. Hier erfolgt die Lichtausbreitung und Wechselwirkung 1242 des Lichtes mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Danach folgt die Auskopplung 1243 aus dem Separator. Die Erfassung des Lichts 1244 erfolgt dabei mit einem Lichtsensor. Dieser ist vorteilhaft so breitbandig sensitiv, dass alle Wellenlängenbereiche der Lichtquellen hinreichend detektiert werden. Für jede der Zeitspannen in der eine Lichtquelle eingeschaltet wird, erfolgt eine separate Speicherung 1249 der Ausgangswerte des Lichtsensors. Die zeitliche Steuerung erfolgt in Übereinstimmung mit dem Einschalten der Lichtquellen ebenfalls durch die Synchronisiereinheit 1248. Eine Vergleichsrechnung 1247 von mindestens zwei gespeicherten Ausgangswerten erfolgt im Anschluss und dient zur Bestimmung des Ladezustandes 1245.
Liste der Bezugszeichen
100 Lichtquellen
102 Einkopplungselement
103 Separatorfolie 106 Positive Elektrodenfolie
108 Negative Elektrodenfolie
110 Auskopplungselement
111 Lichtsensor
129 Einzukoppelndes Licht 130 Ausgekoppeltes Licht
200 Lichtquelle
202 Einkopplungselement
203 Separatorfolie
206 Positive Elektrodenfolie 208 Negative Elektrodenfolie
210 Auskopplungselement
211 Lichtsensor
229 Einzukoppelndes Licht
230 Ausgekoppeltes Licht 300 Lichtquelle
303 Separatorfolie
306 Positive Elektrodenfolien
308 Positive Elektrodenfolien
311 Lichtsensor 329 Einzukoppelndes Licht
330 Ausgekoppeltes Licht
400 Lichtquellen
402 Einkopplungselement in Form eines Prismas
403 Separatorfolie 406 Positive Elektrodenfolie
408 Negative Elektrodenfolie
410 Auskopplungselement in Form eines Prismas
411 Lichtsensor
412 Lichtausbreitung in der Separatorfolie schematisch 429 Einzukoppelndes Licht
430 Ausgekoppeltes Licht
500 Lichtquellen
502 Einkopplungselemente aus dem Separatormaterial geformt
503 Separatorfolien 506 Positive Elektrodenfolien
507 Stromableiterder positiven Elektrodenfolien
508 Negative Elektrodenfolien
509 Stromableiterder negativen Elektrodefolien
510 Auskopplungselemente aus dem Separatormaterial geformt 511 Lichtsensor
529 Einzukoppelndes Licht
530 Ausgekoppeltes Licht
600 Lichtquellen
602 Einkopplungselemente 604 Bereiche der Separatorfolie mit niedriger Porosität Bereiche der Separatorfolie mit hoher Porosität
Auskopplungselemente
Lichtsensoren
Lichtausbreitung in der Separatorfolie schematisch Einzukoppelndes Licht Ausgekoppeltes Licht Lichtquelle
Einkopplungselement in Form eines Prismas
Separatorfolie
Positive Elektrode
Negative Elektrode
Auskopplungselement in Form eines Prismas Lichtsensor
Lichtausbreitung in der Separatorfolie vorlaufend schematisch
Lichtausbreitung in der Separatorfolie rücklaufend schematisch
Fluoreszierendes Material
Wellenlängenfilter
Einzukoppelndes Licht
Ausgekoppeltes Licht
Lichtquelle, im Spektrum verschieden von weiterer Lichtquelle 801 Lichtquelle, im Spektrum verschieden von weiterer Lichtquelle 800 Separatorfolie Lichtsensor
Schematisches Spektrum der eingekoppelten Lichtleistung der Lichtquelle 800 Schematisches Spektrum der eingekoppelten Lichtleistung der Lichtquelle 801 Elektronischer Umschalter
Elektronischer Umschalter für die Auswahl des Speichers 822 bzw. 823 Synchronisation der Umschalter 819 und 820
Speicher f. Ausgangswert Lichtsensors 811 bei Einstrahlung durch Lichtquelle 800 Speicher f. Ausgangswert Lichtsensors 811 bei Einstrahlung durch Lichtquelle 801 Vergleichsrechnung der gespeicherten spektralen Lichtleistungen 825 und 826 Schematisches Spektrum der ausgekoppelten Lichtleistung für die Lichtquelle 800 Schematisches Spektrum der ausgekoppelten Lichtleistung für die Lichtquelle 801 Skizze Ergebniss der Vergleichsrechnung 824 als Indikation des Ladezustandes Einzukoppelndes Licht
Ausgekoppeltes Licht nach der Wechselwirkung in der Batteriezelle 831
Batteriezelle
Lichtquelle
Separatorfolie
Lichtsensor zur Lichterfassung nach Wellenlängenfilter 915 Wellenlängenfilter verschieden von weiterem Filter 916 Wellenlängenfilter verschieden von weiterem Filter 915 Vergleichsrechnung der Ausgangswerte 934 und 935 Ergebnis der Vergleichsrechnung 924 zur Indikation des Ladezustandes Einzukoppelndes Licht
Ausgekoppeltes Licht nach der Wechselwirkung in der Batteriezelle 931 Batteriezelle
Verarbeitung der Ausgangsleistung des Lichtsensors 911 Verarbeitung der Ausgangsleistung des Lichtsensors 912 Ausgangswert der Verarbeitung 932 935 Ausgangswert der Verarbeitung 933
1040 Lichterzeugung mittels Lichtquelle
1041 Lichteinkopplung in den Separator der Batteriezelle
1042 Lichtdurchleitung und Wechselwirkung im Separator
1043 Lichtauskopplung aus dem Separator der Batteriezelle
1044 Lichterfassung
1045 Bestimmung des Ladezustandes
1140 Lichterzeugung mittels Lichtquelle
1141 Lichteinkopplung in den Separator der Batteriezelle
1142 Lichtdurchleitung und Wechselwirkung im Separator
1143 Lichtauskopplung aus dem Separator der Batteriezelle
1144 Lichterfassung
1145 Bestimmung des Ladezustandes
1146 Wellenlängenfilter
1147 Vergleichsrechnung aus den erfassten Lichtleistungen
1240 Lichterzeugung mit verschiedenen Lichtquellen
1241 Lichteinkopplung in den Separator der Batteriezelle
1242 Lichtdurchleitung und Wechselwirkung im Separator
1243 Lichtauskopplung aus dem Separator der Batteriezelle
1244 Lichterfassung
1245 Bestimmung des Ladezustandes
1247 Vergleichsrechnung aus den gespeicherten Lichtleistungen
1248 Synchronisiereinheit
1249 Speicherung der erfassten Lichtleistungen

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur messtechnischen Beobachtung eines Ladezustandes von Lithium- lonen-Batteriezellen mit einem optischen Sensorsystem, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen von Licht mit einer Lichtquellenanordnung (1040),
Einkoppeln des Lichtes in einen Separatorder Batteriezelle (1041),
Durchleiten des Lichtes durch den Separator,
Auskoppeln des Lichtes aus dem Separator,
Erfassen des ausgekoppelten Lichtes als Transmissionsleistung (1044), Bestimmen des Ladezustandes der Batteriezelle auf der Grundlage der Leistung des eingekoppelten Lichtes und der erfassten Transmissionsleistung (1045) in Abhängigkeit von einer flächigen Wechselwirkung des eingekoppelten Lichtes (1042) zwischen mindestens einer an den Separator angrenzenden Elektrodenoberfläche mit einem aktiven Elektrodenmaterial und einer Oberfläche des Separators, wobei die Wechselwirkung auf vom Ladezustand abhängigen optischen Eigenschaften des aktiven Elektrodenmaterials der sich flächig berührenden Oberfläche des Separators und der Elektrodenoberfläche beruht und die Wechselwirkung die Oberflächen flächig und einen flächigen Teil der Flächen einschließt.
2. Verfahren nach Anspruchl , wobei das Erfassen der Transmissionsleistung für verschiedene spektrale Bereiche erfolgt und beim Bestimmen des Ladezustandes die Transmissionsleistungen für verschiedene spektrale Bereiche vergleichend ausgewertet werden, wobei ausgenutzt wird, dass die spektralen Reflexionseigenschaften der Elektrodenoberflächen (106 bzw. 108), insbesondere deren Farbe und/oder deren Helligkeitswerte, ladungsabhängig sind.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens eines von dem Einkoppeln (102) des Lichtes (129) und dem Auskoppeln (110) des Lichtes (130) in den bzw. aus dem Separator über eine Oberfläche des Separators (103) mittels Prismen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens eines von dem Einkoppeln (102) des Lichtes (129) und dem Auskoppeln (110) des Lichtes (130) in den bzw. aus dem Separator (103) über eine aufgeweitete Kantenfläche des Separators erfolgt, insbesondere über eine Kantenfläche eines an seinen Kanten verdickten Separators.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei dem Bestimmen des Ladezustandes wenigstens zwei ausgewählte Spektralanteile des ein- bzw. ausgekoppelten Lichtes (129 bzw. 130) nach der Wellenlänge getrennt ausgewertet werden (932, 933) und über vergleichende Referenzierung von Messwerten (924) dieser Spektralanteile dadurch Quereinflüsse anderer physikalischer Größen und systematischer Messfehler auf die Bestimmung des Ladezustandes vermindert werden.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Einkoppeln von Licht ein Einkoppeln von Licht mehrerer Lichtquellen einer Lichtquellenanordnung mit verschiedenen Spektralanteilen der Wellenlängen (800, 801) alternierend einschaltend für eine Zeitspanne im Schaltzyklus, insbesondere im Zeitmultiplex (819, 820, 821) umfasst, wobei das Erfassen des ausgekoppelten Lichtes dazu synchron alternierend (819, 820, 821) durch mindestens einen Lichtsensor (811) einer Lichtsensoranordnung erfolgt, erfasste Sensorwerte separat gespeichert werden (822, 823) und nacheinander erfasste Sensorwerte vergleichend ausgewertet werden (824).
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein an einer Grenzfläche von Separatoroberfläche (103) und Elektrodenoberfläche (106, 108) mit dem durchgeleiteten Licht (712, 713) wechselwirkendes elektrochromes Material für die Erfassung der Reflektionseigenschaften genutzt wird, welches variable optische Eigenschaften in Abhängigkeit der lonenbeladung einer positiven Elektrode der Batteriezelle aufweist.
8. Anordnung eines optischen Sensorsystems zur messtechnischen Beobachtung des Ladezustandes von Lithium-Ionen-Batteriezellen, wobei die Anordnung aufweist: eine Lichtquellenanordnung (100) zum Erzeugen von Licht, einen Separator (103), der zwischen Elektroden (106, 108) einer Batteriezelle platziert ist und dabei Elektrodenoberflächen der Elektroden an mindestens einer Grenzfläche flächig berührt, ein Einkopplungselement (102), welches mit dem Separator (103) verbunden ist zum Einkoppeln von Licht (129) der Lichtquellenanordnung in den Separator (103), wobei an mindestens einer der Grenzflächen zwischen dem Separator und den Elektrodenoberflächen eine Wechselwirkung mit in den Separator eingekoppeltem und durch den Separator durchgeleiteten Licht (712, 713) mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen erfolgt, wobei die Wechselwirkung vom Ladezustand abhängt, ein Auskopplungselement (110), welches mit dem Separator (103) verbunden ist, um eine Auskopplung des durchgeleiteten Lichtes (130) nach der Wechselwirkung aus dem Separator (103) vorzunehmen, eine Lichtsensoranordnung (111), um das ausgekoppelte Licht (130) als Transmissionsleistung zu erfassen; und eine Auswertungseinheit, die ausgelegt ist, um die Transmissionsleistung zur Bestimmung des Ladezustandes zu verarbeiten.
9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der Separator (103) als Separatorfolie, insbesondere als flexible Separatorfolie ausgestaltet ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei wenigstens eines von dem
Einkopplungselement (102) und dem Auskopplungselement (110) als eine Anordnung mit wenigstens einem Prisma ausgeführt ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei wenigstens eines von dem Einkopplungselement (102) und dem Auskopplungselement (110) als aufgeweitete
Kantenfläche des Separators, insbesondere als Kantenfläche eines an seinen Kanten verdickten Separators ausgeführt ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei die Lichtquellenanordnung mehrere verschiedenfarbige Lichtquellen (800, 801) aufweist, wobei die Anordnung ferner aufweist: einen ersten elektronischen Umschalter (819), welcher ausgelegt ist die verschiedenfarbigen Lichtquellen für eine Zeitspanne im Schaltzyklus, insbesondere im Zeitmultiplex einzuschalten, einen zweiten elektronischen Umschalter (820), welcher ausgelegt ist von der
Lichtsensoranordnung erfasste Werte einer separaten Speicherung zuzuführen, und eine Steuerung (821), die ausgelegt ist den ersten Umschalter (819) und den zweiten Umschalter (820) derart zu synchronisieren, dass erfasste Werte für jede eingeschaltete Lichtquelle separat speicherbar sind (822, 823), wobei die Auswertungseinheit ausgelegt ist, um die gespeicherten Werte nach mindestens einem Schaltzyklus gemeinsam rechnerisch auszuwerten (824).
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Lichtquellenanordnung mindestens eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängenbereichen, insbesondere eine breitbandige Lichtquelle (100) aufweist, die ausgelegt ist Licht mit mehreren Spektralanteilen zu emittieren, wobei die Anordnung ferner aufweist: eine Filteranordnung (915, 916), welche ausgelegt ist das aus dem Separator (103) ausgekoppelte Licht (130) für begrenzte Wellenlängenbereiche, insbesondere Farben, durchzulassen, wobei der Filteranordnung (915, 916) jeweils separate Lichtsensoren (111) der Lichtsensoranordnung nachgeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit ausgelegt ist, Sensorausgangswerte der separaten Lichtsensoren gemeinsam rechnerisch auszuwerten (932, 933, 924).
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Lichtquellenanordnung mindestens eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängenbereichen, insbesondere eine breitbandige Lichtquelle (100) aufweist, die ausgelegt ist Licht mit mehreren Spektralbereichen zu emittieren, wobei die Anordnung ferner aufweist: eine Prismenanordnung (410), welche ausgelegt ist das aus dem Separator (103) ausgekoppelte Licht (130) für einzelne Wellenlängenbereiche, insbesondere Farben, nach Wellenlängenbereichen zu separieren, wobei der Prismenanordnung (410) jeweils separate Lichtsensoren (111) der Lichtsensoranordnung in entsprechenden Austrittswinkeln des Lichtes der verschiedenen Wellenlängen nachgeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit ausgelegt ist, Sensorausgangswerte der separaten Lichtsensoren gemeinsam rechnerisch auszuwerten (932, 933, 924).
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei wenigstens eine der
Komponenten Lichtquellen (100) und Lichtsensoren (111) in einem Zentrum einer Wickelstruktur aus Elektroden und Separator (106, 108, 103) angeordnet ist.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wenigstens eine der Komponenten Lichtquellen (100) und Lichtsensoren (111) in einem Außenbereich einer Wickelstruktur aus
Elektroden und Separator (106, 108, 103) angeordnet ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei eine Anordnung aus Elektroden und Separator (106, 108, 103) mindestens eine Biegung im Schichtaufbau der Batteriezelle (931) aufweist, die ausgelegt ist, um Licht zusätzlich aus dem Separator (103) zum angrenzenden Elektrodenmaterial austreten zu lassen und damit eine Wechselwirkung mit dem Elektrodenmaterial (106 bzw. 108) zu verstärken.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei der Separator (103) zumindest an der positiven Elektrodenseite (106) mit einem elektrochromen Material beschichtet ist, dessen Reflexionseigenschaften von einer lonenbeladung der positiven Elektrode (106) abhängen.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021113915B4 (de) 2021-05-28 2025-03-13 Forschungszentrum Jülich GmbH Optisches Verfahren und Verwendung eines optischen Verfahrens zur Bestimmung des Lithiierungsgrades von Li-Ionen-Batterien

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2056139C (en) 1991-01-31 2000-08-01 Eveready Battery Company, Inc. Electrochromic thin film state-of-charge detector for on-the-cell application
US5949219A (en) 1998-07-24 1999-09-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Optical state-of-charge monitor for batteries
US6356478B1 (en) 2000-12-21 2002-03-12 Actel Corporation Flash based control for field programmable gate array
AU2003274571A1 (en) 2002-11-15 2004-06-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Wireless battery management system
DE602006012940D1 (de) 2005-01-20 2010-04-29 Philips Intellectual Property Anordnung und verfahren zur drucküberwachung in einer batteriezelle
EP2206190A4 (de) 2007-09-14 2012-07-11 A123 Systems Inc Wiederaufladbare lithiumzelle mit referenzelektrode zur integritätszustandsüberwachung
US10439255B2 (en) * 2012-08-10 2019-10-08 Battelle Memorial Institute Optical monitoring of battery health
US9583796B2 (en) 2014-04-01 2017-02-28 Palo Alto Research Center Incorporated Method for monitoring/managing electrochemical energy device by detecting intercalation stage changes
US9553465B2 (en) 2014-04-21 2017-01-24 Palo Alto Research Center Incorporated Battery management based on internal optical sensing
DE102014218277A1 (de) 2014-09-12 2016-03-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen von Lithium-Dendriten in einer Batteriezelle und zum Batteriemanagement
EP3098879A1 (de) 2015-05-28 2016-11-30 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Verfahren zur erkennung einer zersetzung einer kathode einer batteriezelle und batteriezelle
US20170131357A1 (en) 2015-11-09 2017-05-11 Patricia NIEVA Method and apparatus for monitoring and determining energy storage device characteristics using fiber optics

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