WO2013174591A1 - Apparatus for identifying a state variable of a cell for converting chemical energy into electrical energy, cell, cell module and method for identifying a state variable of a cell - Google Patents

Apparatus for identifying a state variable of a cell for converting chemical energy into electrical energy, cell, cell module and method for identifying a state variable of a cell Download PDF

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galvanic
cells
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Definitions

  • Apparatus for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy cell, cell module and method for determining a state quantity of a cell
  • the present invention relates to a device for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell module for providing electrical energy and a method for determining a state quantity of a cell Transformation of chemical energy into electrical energy.
  • Lithium-ion cells are assembled.
  • a major challenge here is an effective battery management system that monitors the function of the individual cells of the battery, controls their charging and discharging processes and ensures safe operation.
  • WO 20061 12639 A1 discloses piezoelectric sensors for detecting a battery
  • the present invention provides a device for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell module for providing electrical energy, and a method for determining a state quantity Cell for converting chemical energy into electrical energy according to
  • Cathode and anode materials of lithium-ion batteries are exposed to considerable volumetric expansion and volume contractions at different states of charge.
  • This mechanical stress due to swelling and swelling of the electrodes can damage the individual layers (metal layer, cathode material, separator, anode, etc.) and thus lead to an increase in the electrical resistance and to a reduced performance. To prevent this mechanical stress and the
  • a constant contact pressure can be applied to the cells. This almost completely prevents a change in volume, so that, instead, a mechanical force of galvanic elements or cell coils arranged in the cells occurs against retained outer walls of the cell.
  • z. B. a created by a functionalization of foils in battery cells foil sensor for the detection of mechanical
  • Battery cell lead to a measurable force change. Since usually several cells are combined to form a module and kept in shape by a common strap around the module, the resulting forces add up and are distributed in a first approximation along a common force path evenly on the cells.
  • At least one cell of a battery may be connected to at least one sensor or a plurality, for example, three sensors, for. B. foil sensors, be equipped to from its or their measurements of gas pressure and / or forces and optionally other independently detected, measured values such as cell terminal voltage, an exact, decoupled, calculation of SOH (State of Health), SOC ( State of charge) and
  • Sensor signal of the sensor for detecting the gas pressure with the signal of the sensor or sensors for detecting the force is calculated. Furthermore, values can be consulted about an expansion of the cell coils on the surface in order to "almost eliminate” an influence by neighboring cells and thus to determine the signal of the individual cell. Alternatively, a measurement of cell terminal voltages can be used for this purpose. Thus, the final one
  • Opening the cell can be clearly detected, as this also leads to an influence on the swelling force.
  • a condition monitoring with which, for example, exceeding of critical reference values is detected can, z. B. via an evaluation unit (eg ASIC) a passing of a warning signal to the battery management.
  • an evaluation unit eg ASIC
  • a controllable faster charging and discharging of the battery cells can be made possible due to the detection of the pressure conditions.
  • a further advantage of the concept proposed here is that the detection of the pressure conditions is also realized in the disassembled state of the battery and thus a safe one
  • the pressure can be piezoelectrically reduced and at a detected battery volume reduction, the pressure
  • a device for determining a state variable of a cell for converting chemical energy into electrical energy comprises the following features: a force sensor for determining a volume change of the cell based on on the volume change to determine the state size; and / or a gas pressure sensor for determining an internal gas pressure of the cell in a free space of the cell located between the at least one galvanic element and the housing in order to determine the state quantity based on the internal gas pressure.
  • the cell for converting chemical energy into electrical energy may be a battery cell of a rechargeable battery for driving an electric or hybrid vehicle.
  • the cell may be a lithium-ion cell.
  • the cell may be formed as a prismatic cell with a cuboid housing.
  • the housing may complete the galvanic element or a plurality of galvanic elements
  • the galvanic element may comprise two electrolytic contacting electrodes for the conversion of chemical to electrical energy.
  • the electrodes may be in wound form.
  • Such a cell coil may have an elongated flat shape, so that, for example, a plurality of galvanic
  • the state size can be z.
  • B. relate to a strain state or an internal gas pressure of the cell.
  • the electrodes may increase or decrease in dependence on a state of charge of the galvanic element, or it may become due to aging processes
  • the galvanic element can have an electrically insulating covering foil, which is designed to surround the electrodes and the electrolyte of the galvanic element in a fluid-tight manner.
  • the wrapping film may be formed of an elastic material, for example of a suitable plastic.
  • the cladding film can adapt to the running within the galvanic element chemical and / or physical processes and expand accordingly and contract again.
  • the cell may comprise two contacts guided through a wall of the housing, one of which is electrically connected to the electrode designed as the cathode and the other is electrically connected to the electrode designed as the anode.
  • the force sensor can be designed to detect a force acting on the cell due to the chemical and / or physical processes of the galvanic element. For example, under the force sensor a
  • the force sensor can be firmly connected to at least one subregion of the galvanic element. Due to the fixed connection, the force sensor can also expand with an expansion of the galvanic element, so that a degree of expansion and thus a strain state of the galvanic element can be deduced based on a detected tensile force connected to the strain on the force sensor. For detecting the strain of the force sensor z. B. one
  • the force sensor can, for. B. on a main page or one of the contacts of the cell
  • the gas pressure sensor can be decoupled from an expansion of the galvanic element in the free space of the cell and be designed to detect existing pressure conditions or pressure changes in the free space. Such pressure changes can z. B. consequence of a loading and unloading of the galvanic cell based so-called respiration of the galvanic cell. Furthermore, an outgassing of a defective
  • the galvanic element cause an increase in the gas pressure inside the cell, which can be detected by the gas pressure sensor.
  • the free space of the cell may be in an upper portion of the cell between the housing wall having the contacts and the housing wall towards
  • Embodiments of the apparatus may include a plurality of force sensors and / or a plurality of gas pressure sensors.
  • the force sensor in its function as a strain sensor, may be arranged and formed on a narrow side of the galvanic element facing the free space, in order to produce an expansion based on a change in volume of the galvanic element
  • the force sensor can extend over a width of the narrow side and completely or at least at two points z. B. to be fixed to a cladding film of the galvanic element.
  • This embodiment offers the advantage that an expansion of the galvanic element can be detected in a particularly exact and uninfluenced manner by a pressure of adjacent further galvanic elements or a wall of the housing of the cell.
  • the force sensor can also be arranged and formed on a main side of the galvanic element adjacent to a wall of the housing or to a further galvanic element of the cell, in order to respond to a change in volume of the galvanic element and / or the other
  • the force sensor may be fixed centrally on a main side of the galvanic element.
  • This embodiment offers the advantage that the force sensor is located in a force path extending transversely to the main side and thus is particularly well suited for breathing the cell due to charging and discharging processes of the galvanic element or the to measure galvanic elements of the cell.
  • the force sensor can be used both as a strain sensor and as a piezo force transducer.
  • the force sensor instead of the position on the main side of the galvanic element, can also be arranged at approximately the same height on an outer side of the housing of the cell if an additional cell adjoins this outer side to form a cell module comprising several cells. In this way, the respiration of the cell can be detected.
  • the gas pressure sensor may be designed to detect an internal gas pressure of the cell based on a change in volume of the galvanic element and / or a component leakage from the galvanic element.
  • the state variable can here a charge state and / or a
  • Charge state can describe a current charging or discharging process of the cell and, for example, from a currently prevailing
  • Ambient pressure z.
  • the air pressure can be influenced. This circumstance can also be taken into account by the device presented here.
  • the aging state and tightness of the cell can correlate with a state of health of the cell.
  • a combination of force sensor and gas pressure sensor can make it possible to determine whether z. B. a detected
  • Defect of the cell on an aging of the cell or z. B. is due to a crack of a cladding film of the galvanic element.
  • a battery management system employing the device can operate particularly effectively and thus reduce maintenance and repair costs and improve the safety of a vehicle.
  • the force sensor and / or the gas pressure sensor can be designed as an elastic film functionalized for a measured value acquisition.
  • the force sensor and / or the gas pressure sensor may be applied to a part of the enveloping foil enclosing the galvanic element be such a wrapper.
  • the advantage of this embodiment is that the sensor can adapt so well to an expansion of the galvanic element and thus capture a measured value in a particularly unadulterated and loss-free manner.
  • the force or gas pressure sensor is particularly space-saving and easy to install in this embodiment.
  • force and gas pressure sensors may be combined in a single foil spanning the entire cell coil.
  • a cell module for providing electrical energy has the following features: a plurality of cells for converting chemical energy into electrical energy, each of the plurality of cells comprising at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element, and wherein the cells of the plurality of cells in a row are arranged adjacent to each other; a clamping element encompassing the plurality of cells, which is designed to provide a back pressure acting against a pressure caused by a change in volume of the cells; and at least one device according to one of the embodiments explained above, the at least one of the plurality of cells of the
  • the cell module can for example form a drive accumulator for an electric or hybrid vehicle or be part of such a drive accumulator.
  • the tensioning element can be designed as a tensioning band, which is guided around a broad side of the cell arrangement and closely surrounds it. Thus, the tensioning element can provide a back pressure for a widening of the cells caused by volume change of the galvanic cells.
  • the change in volume galvanic elements only one attempted expansion of the cells result in which the forces acting inside the cell can then be better detected and measured by the sensors arranged there.
  • Only one of the cells of the module may have the device proposed herein, or the device may be installed in each of the cells.
  • the device may in each case have a different number of the gas pressure and / or force sensors forming it.
  • a method for determining a state quantity of a cell for the conversion of chemical energy into electrical energy, wherein the cell comprises at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element may comprise the following step:
  • the signal representing the volume change and / or the internal gas pressure may be provided by the force sensor and / or the gas pressure sensor of the device.
  • Device or be executed by a coupled, for example, with a corresponding device controller.
  • the method may be a step of
  • a state of charge of the cell represented by the quantity of state can be determined in the step of the determination.
  • the method may include one signal each of a first force sensor arranged on the narrow side of the galvanic element and a second on the main side of the
  • the method may also include a step of determining the signal representing the gas internal pressure of the cell, namely by detecting a change in the volume of the galvanic element and / or a
  • a density of the cell represented by the state quantity must be determined.
  • one or more steps of the method may be performed by a controller that may be connected to the cell via a CAN bus of a vehicle.
  • a suitable algorithm can be used to determine the state variable.
  • the control unit can be designed to perform or implement the steps of the method according to the invention in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
  • a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the controller may have interfaces that may be designed in hardware and / or software. In a hardware training, the interfaces may for example be part of a so-called system ASICs, the various functions of the
  • Control unit includes. However, it is also possible that the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially discrete
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • An advantage is also a computer program product with program code, which on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a Hard disk space or an optical storage can be stored and used to carry out the method according to one of the embodiments described above, when the program product is executed on a computer or a device.
  • FIG. 1 is a perspective view of a cell with a device for determining a state quantity of the cell, according to a
  • Fig. 2 is a sectional view of the cell of Fig. 1;
  • FIG. 3 shows the cell from FIG. 1 in the expanded state
  • FIG. 4 is a perspective view of a cell module according to a
  • 5 is a flowchart of a method for determining a
  • the cell 100 includes a plurality of
  • galvanic elements 105 in the form of flat cell coils, which are enclosed by a housing 1 10 of the cell.
  • the galvanic elements 105 are arranged in the form of a horizontal stack and firmly enclosed by the housing 1 10.
  • the housing 1 10 is formed of aluminum and is at a Top of contacts 1 15 for electrical connection of the galvanic elements 105 pierced. In the sectional view shown here, however, only a contact 15, which contacts (not shown in the illustration) anodes of the galvanic elements 105, is shown.
  • the cell 100 has a device 120 for determining a state variable of the cell 100, the state variable describing a state of health or SOH and / or a state of charge of the cell 100.
  • the device 120 forms a combined sensor and comprises a first force sensor 125, a second force sensor 130 and a
  • the device 120 is here associated with only one of four galvanic elements, but may alternatively all of the cell coils in one
  • the first force sensor 125 is designed as a strain sensor and is arranged parallel to an X-axis indicated by a dashed line in the illustration on a narrow side 145 of the galvanic element 105 which is aligned with a cavity 140 of the cell 100.
  • the strain sensor 125 measures a volume change of the cell coil 105 at the surface by detecting an expansion of the cell coil 105 caused by the volume change.
  • the strain is recorded here by a strain gauge (DMS) integrated in the force sensor 125.
  • DMS strain gauge
  • the second force sensor 130 is centered on a major side of the galvanic element 105 and measures a force by an attempted volume change of the cell coil along the X-axis.
  • the measurement method is here using a strain gauge in soft material, which "flows apart" by force along the X-axis normal to the X-axis.
  • the second force sensor 130 measures an absolute sum of the acting forces along the X-axis and thus a sum of the volume change of all modulus cells 105. Since in the embodiment of the device 120 shown in FIG Force sensor 125 and the second force sensor 130 based on the DMS principle, here the first force sensor 125 and the second force sensor 130 are identical built up.
  • the second force sensor 130, the acting forces also z. B. capacitive or piezoresistive capture.
  • the gas pressure sensor 135 is arranged between two of the cell wraps 105 and aligned with the free space 140 and thus almost completely decoupled from an expansion of the galvanic elements 105. This gas pressure sensor 135 is for measuring a
  • the gas pressure sensor 135 is embodied here capacitively with rigid electrodes and soft attachment to the cell coil 105. As a result, a possible outgassing of the galvanic elements 105 can be monitored, which increases the internal pressure of the cell 100
  • the pressure conditions during charging cycles of the cell 100 can be detected. Furthermore, damage to the cell can also be detected, i. h., An abrupt increase in pressure due to an accident or a large pressure drop by opening the outer shell of the cell 100 or a
  • Hermeticity of the cell 100 can be determined very accurately. However, even with the use of two sensors or only one sensor are meaningful
  • the second force sensor 130 and the gas pressure sensor 135 may be used to calculate the SOH and hermeticity of a cell 100 disposed in a cell module and an SOC averaged over the module. In this case, in addition to the values supplied by the second force sensor 130 and the gas pressure sensor 135
  • Terminal voltages of the cells 100 of the cell module are measured so as to get back to a statement about the SOC of each cell 100.
  • the gas pressure sensor 135 can be used to arrive at a conclusion about the SOH and the hermeticity;
  • the SOC is classically derived from other parameters.
  • a combination of the first force sensor 125 with the gas pressure sensor 135 is possible.
  • the SOH, SOC and hermeticity can be calculated, but with a lower accuracy than if all three sensors 125, 130 and 135 are used.
  • Terminals of sensors 125, 130 and 135 may be routed outwardly via feedthroughs in housing 110 of cell 100 (not shown in the illustration in FIG. 1).
  • the sensors 125, 130 and 135 and optionally a sensor evaluation electronics can be supplied via the cell voltage.
  • FIG. 2 shows a further sectional view of the prismatic battery cell 100 from FIG. 1, with a longitudinal section through the galvanic element 105 having the sensors 125, 130, 135, according to one exemplary embodiment of the present invention.
  • a cathode 200 and an anode 205 can be seen, via which an electrical current generated in the galvanic element 105 can be conducted to the contacts of the cell and to the outside.
  • the first force sensor 125 is stretched by a volume change of the cell coil 105.
  • the determination of the elongation takes place as already explained with reference to FIG. 1 with the DMS principle.
  • the second force sensor 130 is in a central area of a main side
  • the second force sensor 130 thus lies in the force path explained in connection with FIG.
  • a plurality of stacked cell coils 105 and thereby measures the force that results from the attempted volume change of the cell coil 105 along the force path.
  • the measurement is performed with DMS in soft material, which "flows apart" normal to X as a result of the force along the X-axis shown in FIG. 1, but may alternatively also be, for example,.
  • the second force sensor 130 may be arranged as shown in Fig. 2, but not the force directly, but a size of a bearing surface between the cell coil 105 and another cell coil 105 or between the cell coil 105 and a Determine wall of the housing 1 10 of the cell 100.
  • the gas pressure sensor 135 is located outside of the force path in an edge region of the cell coil 105 and thus at a position at which the galvanic element 105 can extend unhindered through other cell coils 105 of the stack. The gas pressure sensor 135 is thus decoupled from the expansion and measures the gas pressure within the
  • Cell 100 e.g. B. capacitive with rigid electrodes and soft attachment to the cell coil 105th
  • the sensor layers 125, 130 are limited locally on the carrier foil or wrapping film of the invention for detecting the elongation
  • Cell coils 105 are placed, at positions at which an occurrence of an elongation is maximum. With this measure, the sensitivity of the sensors 125, 130 can be increased.
  • the films for the force or strain sensors 125 and 130 which are functionalized for the measurement value acquisition can, as a variant, also be guided as a whole around the winding 105. The capture of
  • Pressure increase or force increase can then take place over a large area (integral) to u. U. to prevent incorrect readings due to local material fluctuations. A possible distortion of the pressure increase due to
  • Temperature influences can be compensated for example via a second temperature film sensor. In that shown in Fig. 2
  • Embodiment of the device 120 have the locally applied
  • Sensor layers 125, 130, 135 a rectangular shape with rounded corners. According to alternative embodiments, the sensor layers 125, 130, 135 may have any shapes. Also, the sensors 125, 130 and 135 may be distributed instead of a contiguous piece of film, respectively
  • Measurement signals of the first force sensor 125, the second force sensor 130 and the gas pressure sensor 135 can be read out and processed via an electronics (discrete or ASIC) integrated in the cell 100.
  • the evaluation electronics can be integrated with the sensors 125, 130, 135, optionally as polymer electronics, in or on the film.
  • FIG. 3 shows the galvanic cell 100 in that shown in FIG.
  • Embodiment of the present invention With an increase in volume of the galvanic elements 105 due to an incorporation of lithium (Cell charging, SOC maximization) occurs in the absence of back pressure from the outside on the housing 1 10 of the cell 100 as a result of an expansion force 300 indicated by arrows in the illustration to a widening of the cell 100.
  • Fig. 3 shows this state only theoretically, since proper functionality of the apparatus provided herein for determining a conditional size of the cell 100 is an existing backpressure condition.
  • the following Fig. 4 illustrates a way to provide a suitable back pressure.
  • Fig. 4 shows a further perspective view of a
  • FIG. 4 Cross section through an embodiment of a cell module 400, according to an embodiment of the present invention.
  • the cross-sectional view shows a plurality of cells 100 that are lined up and adjacent to each other to form the battery module 400.
  • a tensioning element 410 designed as a tension band surrounds the arrangement of cells 100 and thus provides a pre-pressing force acting on the outer surfaces of the cells 100, over which a counter-pressure 420, indicated by arrows in FIG. 4, widens against the outward-acting pressure of the expanding one galvanic elements 105 of the cells 100 can be constructed.
  • the second force sensor 130 of each cell 100 is disposed within the cell.
  • the second force sensor 130 of each cell 100 is disposed within the cell.
  • the second force sensor 130 of each cell 100 is disposed within the cell.
  • the second force sensor 130 of each cell 100 is disposed within the cell.
  • the second force sensor 130 of each cell 100 is disposed within the cell.
  • the second force sensor 130 of each cell 100 is disposed within the cell.
  • Cell module 400 exchange sensors, or their electronics, which are installed in adjacent cells 100, their data directly, without detour via the controller, and calculate the individual SOH and SOC of the cells 100 involved from the sum of these data.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a flowchart of a method 500 for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, according to one embodiment of the present invention.
  • the cell is associated with a device for determining a state size of the cell, as presented with reference to the preceding figures.
  • a cell is placed on a narrow side of a galvanic cell and / or on a main side transverse to the narrow side the galvanic element detects a change in volume of the galvanic element and sends a corresponding signal to a device coupled to the control unit.
  • a gas internal pressure of the cell existing in the clearance is detected in a free space between the narrow side of the galvanic element and a housing of the cell, and in turn a corresponding signal is sent to the control device coupled to the device.
  • Steps 510A and 51BB may be concurrent or
  • step 510A or step 51B0 may omit step 510A or step 51B0.
  • step 520 based on the signal representing the volume change of the galvanic element and / or on the signal representing the gas internal pressure, the
  • the method 500 may include a control loop or be part of a control loop which, based on the sensor data, the load and
  • the method 500 can also regulate cell heating on the basis of the measured values. A detected loss of
  • Hermetic or a critical SOH can the central vehicle control unit and / or the driver -. B. via a warning light - be communicated.
  • a characteristic field can be used, which may have been obtained from test drives.
  • a (polymer) switch matrix can be used to multiplex the sensor signals.
  • the embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

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Abstract

The invention relates to an apparatus (120) for identifying a state variable of a cell (100) for converting chemical energy into electrical energy, wherein the cell (100) has at least one electrochemical element (105) and a housing (110) which surrounds the electrochemical element (105). The apparatus (120) comprises a force sensor (125, 130) for determining a change in volume of the cell (100) in order to identify the state variable based on the change in volume, and/or comprises a gas pressure sensor (135) for identifying a gas internal pressure of the cell (100) in a free space (140) of the cell (100), which free space is located between the at least one electrochemical element (105) and the housing (110), in order to identify the state variable based on the gas internal pressure.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, Zelle, Zellenmodul und Verfahren zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle  Apparatus for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, cell, cell module and method for determining a state quantity of a cell
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, eine Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, ein Zellenmodul zum Bereitstellen elektrischer Energie sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. The present invention relates to a device for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell module for providing electrical energy and a method for determining a state quantity of a cell Transformation of chemical energy into electrical energy.
Mit der immer größer werdenden Nachfrage nach alternativen Antriebskonzepten rückt der Elektroantrieb mehr und mehr in den Mittelpunkt der Betrachtung. In der Automobilindustrie zum Einsatz kommende Akkumulatorenpakete bestehen meist aus mehreren Modulen, welche wiederum aus mehreren Zellen, z. B. With the ever increasing demand for alternative drive concepts, the electric drive is becoming more and more the focus of attention. In the automotive industry used coming Akkumulatorenpakete usually consist of several modules, which in turn consists of several cells, eg. B.
Lithium-Ionen-Zellen, zusammengebaut sind. Eine große Herausforderung hierbei ist ein effektives Batteriemanagementsystem, welches die Funktion der einzelnen Zellen der Batterie überwacht, deren Lade- und Entladevorgänge steuert und einen sicheren Betrieb gewährleistet. Die WO 20061 12639 A1 offenbart Piezo-Sensoren zur Erfassung eines Batterie-Lithium-ion cells are assembled. A major challenge here is an effective battery management system that monitors the function of the individual cells of the battery, controls their charging and discharging processes and ensures safe operation. WO 20061 12639 A1 discloses piezoelectric sensors for detecting a battery
Innendrucks. Durch die Erfassung einer Überschreitung eines bestimmten vergebenen Innendruckwertes ist es möglich, geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten. Internal pressure. By detecting an exceeding of a given assigned internal pressure value, it is possible to initiate suitable countermeasures.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, eine Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, ein Zellenmodul zum Bereitstellen elektrischer Energie sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie gemäß den Disclosure of the invention Against this background, the present invention provides a device for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell for converting chemical energy into electrical energy, a cell module for providing electrical energy, and a method for determining a state quantity Cell for converting chemical energy into electrical energy according to
Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Main claims presented. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Kathoden- und Anodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien sind bei unterschiedlichen Ladezuständen erheblichen Volumenausdehnungen und Volumenkontraktionen ausgesetzt sind. Diese mechanische Belastung durch An- und Abschwellung der Elektroden können die einzelnen Schichten (Metallschicht, Kathodenmaterial, Separator, Anode, etc.) schädigen und somit zum Anstieg des elektrischen Widerstandes und zu einem verminderten Leistungsvermögen führen. Zur Verhinderung dieser mechanischen Belastung und der Cathode and anode materials of lithium-ion batteries are exposed to considerable volumetric expansion and volume contractions at different states of charge. This mechanical stress due to swelling and swelling of the electrodes can damage the individual layers (metal layer, cathode material, separator, anode, etc.) and thus lead to an increase in the electrical resistance and to a reduced performance. To prevent this mechanical stress and the
unerwünschten Ablösung einzelner Schichten kann ein konstanter Anpressdruck auf die Zellen aufgebracht werden. Dieser verhindert eine Volumenänderung nahezu gänzlich, sodass stattdessen eine mechanische Kraft von in den Zellen angeordneten galvanischen Elementen bzw. Zellwickeln gegen festgehaltene Außenwände der Zelle auftritt. unwanted detachment of individual layers, a constant contact pressure can be applied to the cells. This almost completely prevents a change in volume, so that, instead, a mechanical force of galvanic elements or cell coils arranged in the cells occurs against retained outer walls of the cell.
Um einen auf mechanischen Spannungen basierenden Druck zwischen To a pressure based on mechanical stresses between
Zellwickeln zu messen, kann z. B. ein durch eine Funktionalisierung von Folien in Batteriezellen geschaffener Foliensensor zur Detektion von mechanischenTo measure cell coils, z. B. a created by a functionalization of foils in battery cells foil sensor for the detection of mechanical
Spannungen genutzt werden. Ferner kann ein Schwellverhalten (Swelling-Force) der Batteriezelle über mehrere Ladezyklen beobachtet werden, woraus ebenfalls ersichtlich gemacht werden kann, dass Alterung sowie Ladezustand der Voltages are used. Furthermore, a swelling-force of the battery cell can be observed over several charging cycles, from which it can also be seen that aging and state of charge of the
Batteriezelle zu einer messbaren Kraftänderung führen. Da üblicherweise mehrere Zellen zu einem Modul zusammengefasst werden und von einem gemeinsamen Spannband um das Modul herum in Form gehalten werden, addieren sich die dadurch entstehenden Kräfte und verteilen sich in erster Näherung entlang eines gemeinsamen Kraftpfades gleichmäßig auf die Zellen. Battery cell lead to a measurable force change. Since usually several cells are combined to form a module and kept in shape by a common strap around the module, the resulting forces add up and are distributed in a first approximation along a common force path evenly on the cells.
Durch eine geeignete Platzierung von Sensoren in einer Batterie kann eine Entkopplung von drei relevanten Beurteilungskriterien für einen Zustand der Batterie, nämlich Alterung, Ladung, und Beschädigung, ermöglicht und somit eine eindeutige Aussage über Zustand und/oder Dichtigkeit der Batteriezellen erlaubt werden. Mindestens eine Zelle einer Batterie kann mit mindestens einem Sensor oder einer Mehrzahl, beispielsweise drei Sensoren, z. B. Foliensensoren, ausrüstet sein, um aus dessen bzw. deren Messwerten zu Gasdruck und/oder Kräften und gegebenenfalls weiteren, unabhängig erfassten, Messwerten wie beispielsweise Zellklemmenspannung, eine exakte, entkoppelte, Berechnung von SOH (State of Health = Gesundheitszustand), SOC (State of Charge = Ladezustand) undBy a suitable placement of sensors in a battery, a decoupling of three relevant evaluation criteria for a state of the Battery, namely aging, charge, and damage, allows and thus a clear statement about the condition and / or tightness of the battery cells are allowed. At least one cell of a battery may be connected to at least one sensor or a plurality, for example, three sensors, for. B. foil sensors, be equipped to from its or their measurements of gas pressure and / or forces and optionally other independently detected, measured values such as cell terminal voltage, an exact, decoupled, calculation of SOH (State of Health), SOC ( State of charge) and
Hermetizität der Batteriezelle zu erzielen. Hermeticity of the battery cell to achieve.
Vorteil einer derartigen Kombinationslösung ist es, dass der Ladezustand von dem Alterungszustand der Zelle entkoppelt werden kann, indem das Advantage of such a combination solution is that the state of charge can be decoupled from the aging state of the cell by the
Sensorsignal des Sensors zum Erfassen des Gasdrucks mit dem Signal des oder der Sensoren zum Erfassen der Kraft verrechnet wird. Ferner können Werte über eine Dehnung der Zellwickel an der Oberfläche hinzugezogen werden, um eine Beeinflussung durch Nachbarzellen "nahezu zu eliminieren" und somit das Signal der einzelnen Zelle zu ermitteln. Alternativ kann hierfür auch eine Messung von Zellklemmenspannungen herangezogen werden. Somit ist die endgültige Sensor signal of the sensor for detecting the gas pressure with the signal of the sensor or sensors for detecting the force is calculated. Furthermore, values can be consulted about an expansion of the cell coils on the surface in order to "almost eliminate" an influence by neighboring cells and thus to determine the signal of the individual cell. Alternatively, a measurement of cell terminal voltages can be used for this purpose. Thus, the final one
Aussage über SOC und SOH der Batteriezelle wesentlich genauer. Aufgrund der exakteren Detektion der Druckverhältnisse ist auch ein kontrollierbares schnelleres Laden- und Entladen der Batteriezellen möglich. Trotz des erschwerenden Umstands, dass sich in einem Zellmodul nicht nur mehrere Zellen unterschiedlich ausdehnen, sondern sich sogar über deren berührende Zellwände gegenseitig beeinflussen können, kann eine eindeutige Zuordnung einer entstehenden Kraft zu einer individuellen Zelle einer Batterie bzw. eines Zellmoduls durchgeführt werden. Ferner kann eine Undichtigkeit einer Zelle, beispielsweise in Form einer durch eine Beschädigung verursachten Statement about SOC and SOH of the battery cell much more accurate. Due to the more precise detection of the pressure conditions and a controllable faster charging and discharging of the battery cells is possible. Despite the aggravating circumstance that not only several cells expand differently in a cell module, but can even influence one another via their contacting cell walls, an unambiguous assignment of an emerging force to an individual cell of a battery or of a cell module can be carried out. Furthermore, a leakage of a cell, for example in the form of damage caused by a cell
Öffnung der Zelle, eindeutig detektiert werden, da diese ebenfalls zu einer Beeinflussung der Swelling-Force führt. Opening the cell, can be clearly detected, as this also leads to an influence on the swelling force.
Insofern können die detektierten Druckverhältnisse zur Erhöhung der In this respect, the detected pressure conditions to increase the
Zellsicherheit herangezogen werden. Eine Zustandsüberwachung, mit der beispielsweise eine Überschreitung kritischer Referenzwerte detektiert werden kann, ermöglicht z. B. über eine Auswerteeinheit (z. B. ASIC) eine Weitergabe eines Warnsignals an das Batteriemanagement. Ferner kann aufgrund der Detektion der Druckverhältnisse auch ein kontrollierbares schnelleres Laden und Entladen der Batteriezellen ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil des hierin vorgeschlagenen Konzepts ist, dass die Erfassung der Druckverhältnisse auch im ausgebauten Zustand der Batterie realisiert und somit ein gefahrloses Cell safety are used. A condition monitoring with which, for example, exceeding of critical reference values is detected can, z. B. via an evaluation unit (eg ASIC) a passing of a warning signal to the battery management. Furthermore, a controllable faster charging and discharging of the battery cells can be made possible due to the detection of the pressure conditions. A further advantage of the concept proposed here is that the detection of the pressure conditions is also realized in the disassembled state of the battery and thus a safe one
Recycling der Zellen ermöglicht werden kann. Auch kann bei einer erkannten Batterie-Volumenvergrößerung der Druck piezoelektrisch verringert werden und bei einer erkannten Batterie-Volumenverringerung kann der Druck Recycling the cells can be made possible. Also, at a detected battery volume increase, the pressure can be piezoelectrically reduced and at a detected battery volume reduction, the pressure
piezoelektrisch erhöht werden. be increased piezoelectrically.
Eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgroße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die Zelle mindestens ein galvanisches Element und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse umfasst, weist die folgenden Merkmale auf: einen Kraftsensor zum Bestimmen einer Volumenänderung der Zelle, um basierend auf der Volumenänderung die Zustandsgroße zu ermitteln; und/oder einen Gasdrucksensor zum Bestimmen eines Gasinnendrucks der Zelle in einem zwischen dem mindestens einen galvanischen Element und dem Gehäuse befindlichen Freiraum der Zelle, um basierend auf dem Gasinnendruck die Zustandsgroße zu ermitteln. A device for determining a state variable of a cell for converting chemical energy into electrical energy, wherein the cell comprises at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element, comprises the following features: a force sensor for determining a volume change of the cell based on on the volume change to determine the state size; and / or a gas pressure sensor for determining an internal gas pressure of the cell in a free space of the cell located between the at least one galvanic element and the housing in order to determine the state quantity based on the internal gas pressure.
Bei der Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie kann es sich um eine Batteriezelle eines Akkumulators zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Beispielsweise kann die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle sein. Die Zelle kann als eine prismatische Zelle mit einem quaderförmigen Gehäuse ausgebildet sein. Das Gehäuse kann das galvanische Element oder eine Mehrzahl von galvanischen Elementen vollständig The cell for converting chemical energy into electrical energy may be a battery cell of a rechargeable battery for driving an electric or hybrid vehicle. For example, the cell may be a lithium-ion cell. The cell may be formed as a prismatic cell with a cuboid housing. The housing may complete the galvanic element or a plurality of galvanic elements
umschließen und beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Das galvanische Element kann zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie zwei einen Elektrolyten kontaktierende Elektroden umfassen. Die Elektroden können in gewickelter Form vorliegen. Ein derartiger Zellwickel kann eine längliche flache Form aufweisen, sodass beispielsweise eine Mehrzahl von galvanischen enclose and be made of aluminum, for example. The galvanic element may comprise two electrolytic contacting electrodes for the conversion of chemical to electrical energy. The electrodes may be in wound form. Such a cell coil may have an elongated flat shape, so that, for example, a plurality of galvanic
Elementen platzsparend nebeneinander in dem Gehäuse der Zelle untergebracht sein kann. Die Zustandsgroße kann sich z. B. auf einen Dehnungszustand oder einen Gasinnendruck der Zelle beziehen. Beispielsweise können die Elektroden in Abhängigkeit von einem Ladezustand des galvanischen Elements an- bzw. abschwellen, oder es kann aufgrund von Alterungsprozessen zu einer Space saving elements next to each other housed in the housing of the cell can be. The state size can be z. B. relate to a strain state or an internal gas pressure of the cell. For example, the electrodes may increase or decrease in dependence on a state of charge of the galvanic element, or it may become due to aging processes
Gasentwicklung in der Zelle kommen, wodurch sich die Zelle aufblähen und ausdehnen kann. Das galvanische Element kann eine elektrisch isolierende Hüllfolie aufweisen, die ausgebildet ist, um die Elektroden und den Elektrolyt des galvanischen Elements fluiddicht zu umschließen. Die Hüllfolie kann aus einem elastischen Material, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff, gebildet sein. So kann sich die Hüllfolie an die innerhalb des galvanischen Elements ablaufenden chemischen und/oder physikalischen Prozesse anpassen und sich entsprechend ausdehnen und wieder zusammenziehen. Zur elektrischen Kontaktierung kann die Zelle zwei durch eine Wand des Gehäuses geführte Kontakte aufweisen, von denen einer mit der als die Kathode ausgeführten Elektrode elektrisch verbunden ist und der andere mit der als die Anode ausgeführten Elektrode elektrisch verbunden ist. Gas development in the cell come, which can inflate the cell and expand. The galvanic element can have an electrically insulating covering foil, which is designed to surround the electrodes and the electrolyte of the galvanic element in a fluid-tight manner. The wrapping film may be formed of an elastic material, for example of a suitable plastic. Thus, the cladding film can adapt to the running within the galvanic element chemical and / or physical processes and expand accordingly and contract again. For electrical contacting, the cell may comprise two contacts guided through a wall of the housing, one of which is electrically connected to the electrode designed as the cathode and the other is electrically connected to the electrode designed as the anode.
Der Kraftsensor kann ausgebildet sein, um eine aufgrund der chemischen und/oder physikalischen Prozesse des galvanischen Elements auf die Zelle wirkende Kraft zu erfassen. Beispielsweise kann unter dem Kraftsensor eineThe force sensor can be designed to detect a force acting on the cell due to the chemical and / or physical processes of the galvanic element. For example, under the force sensor a
Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden Verformungen verstanden werden. Dazu kann der Kraftsensor mit zumindest einem Teilbereich des galvanischen Elements fest verbunden sein. Aufgrund der festen Verbindung kann sich der Kraftsensor mit einer Dehnung des galvanischen Elements ebenfalls dehnen, sodass basierend auf einer mit der Dehnung verbundenen erfassten Zugkraft auf den Kraftsensor auf einen Grad der Dehnung und damit einen Dehnungszustand des galvanischen Elements rückgeschlossen werden kann. Zur Erfassung der Dehnung kann der Kraftsensor z. B. einen Measuring device for detecting elongating deformations are understood. For this purpose, the force sensor can be firmly connected to at least one subregion of the galvanic element. Due to the fixed connection, the force sensor can also expand with an expansion of the galvanic element, so that a degree of expansion and thus a strain state of the galvanic element can be deduced based on a detected tensile force connected to the strain on the force sensor. For detecting the strain of the force sensor z. B. one
Dehnungsmessstreifen aufweisen. Alternativ kann es sich bei dem Kraftsensor z. B. um einen Piezo-Kraftaufnehmer handeln. Dieser kann z. B. eingesetzt werden, indem er eine durch eine Dehnung des galvanischen Elements auf die Zelle einwirkende Kraft über eine Erfassung einer Ladungsverteilung in dem Kraftaufnehmer, die proportional zu der Kraft ist, misst. Der Kraftsensor kann z. B. an einer Hauptseite oder einer zu den Kontakten der Zelle hin Have strain gauges. Alternatively, it may be in the force sensor z. B. act to a piezo-force transducer. This can z. Example, be used by a force acting on the cell by an expansion of the galvanic force by detecting a charge distribution in the force transducer, which is proportional to the force measures. The force sensor can, for. B. on a main page or one of the contacts of the cell
ausgerichteten Schmalseite des galvanischen Elements angeordnet sein. Der Gasdrucksensor kann von einer Dehnung des galvanischen Elements entkoppelt in dem Freiraum der Zelle angeordnet und ausgebildet sein, um in dem Freiraum bestehende Druckverhältnisse bzw. Druckveränderungen zu erfassen. Derartige Druckveränderungen können z. B. Folge einer auf Lade- und Entladevorgängen der galvanischen Zelle beruhenden sogenannten Atmung der galvanischen Zelle sein. Ferner kann eine Ausgasung eines defekten aligned narrow side of the galvanic element may be arranged. The gas pressure sensor can be decoupled from an expansion of the galvanic element in the free space of the cell and be designed to detect existing pressure conditions or pressure changes in the free space. Such pressure changes can z. B. consequence of a loading and unloading of the galvanic cell based so-called respiration of the galvanic cell. Furthermore, an outgassing of a defective
galvanischen Elements eine Erhöhung des Gasdrucks im Inneren der Zelle bewirken, die durch den Gasdrucksensor erfasst werden kann. Der Freiraum der Zelle kann in einem oberen Bereich der Zelle zwischen der die Kontakte aufweisenden Gehäusewand und der zu dieser Gehäusewand hin galvanic element cause an increase in the gas pressure inside the cell, which can be detected by the gas pressure sensor. The free space of the cell may be in an upper portion of the cell between the housing wall having the contacts and the housing wall towards
ausgerichteten Schmalseite des galvanischen Elements gebildet sein. be formed aligned narrow side of the galvanic element.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung können eine Mehrzahl von Kraftsensoren und/oder eine Mehrzahl von Gasdrucksensoren umfassen. Embodiments of the apparatus may include a plurality of force sensors and / or a plurality of gas pressure sensors.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Kraftsensor in seiner Funktion als ein Dehnungssensor an einer dem Freiraum zugewandten Schmalseite des galvanischen Elements angeordnet und ausgebildet sein, um eine auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements basierende Dehnung der According to one embodiment, the force sensor, in its function as a strain sensor, may be arranged and formed on a narrow side of the galvanic element facing the free space, in order to produce an expansion based on a change in volume of the galvanic element
Schmalseite zu erfassen. Beispielsweise kann sich der Kraftsensor über eine Breite der Schmalseite erstrecken und vollständig oder zumindest an zwei Punkten z. B. an einer Hüllfolie des galvanischen Elements fixiert sein. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Dehnung des galvanischen Elements besonders exakt und unbeeinflusst von einem Druck benachbarter weiterer galvanischer Elemente oder einer Wand des Gehäuses der Zelle erfasst werden kann. To capture narrow side. For example, the force sensor can extend over a width of the narrow side and completely or at least at two points z. B. to be fixed to a cladding film of the galvanic element. This embodiment offers the advantage that an expansion of the galvanic element can be detected in a particularly exact and uninfluenced manner by a pressure of adjacent further galvanic elements or a wall of the housing of the cell.
Auch kann der Kraftsensor an einer an eine Wand des Gehäuses oder an ein weiteres galvanisches Element der Zelle angrenzenden Hauptseite des galvanischen Elements angeordnet und ausgebildet sein, um einen auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements und/oder des weiteren The force sensor can also be arranged and formed on a main side of the galvanic element adjacent to a wall of the housing or to a further galvanic element of the cell, in order to respond to a change in volume of the galvanic element and / or the other
galvanischen Elements basierenden und auf die Hauptseite wirkenden Druck zu erfassen. Beispielsweise kann der Kraftsensor hier mittig auf einer Hauptseite des galvanischen Elements fixiert sein. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sich der Kraftsensor in einem sich quer zu der Hauptseite verlaufenden Kraftpfad befindet und somit besonders gut geeignet ist, eine Atmung der Zelle aufgrund von Lade- und Entladevorgängen des galvanischen Elements bzw. der galvanischen Elemente der Zelle zu messen. In dieser Ausführungsform kann der Kraftsensor sowohl als Dehnungssensor als auch als Piezo-Kraftaufnehmer eingesetzt werden. Alternativ kann der Kraftsensor anstelle der Position auf der Hauptseite des galvanischen Elements auch auf etwa gleicher Höhe auf einer Außenseite des Gehäuses der Zelle angeordnet sein, wenn zur Bildung eines mehrere Zellen umfassenden Zellenmoduls an diese Außenseite eine weitere Zelle angrenzt. Auch auf diese Weise kann die Atmung der Zelle erfasst werden. galvanic element based and acting on the main page pressure to capture. For example, the force sensor may be fixed centrally on a main side of the galvanic element. This embodiment offers the advantage that the force sensor is located in a force path extending transversely to the main side and thus is particularly well suited for breathing the cell due to charging and discharging processes of the galvanic element or the to measure galvanic elements of the cell. In this embodiment, the force sensor can be used both as a strain sensor and as a piezo force transducer. Alternatively, instead of the position on the main side of the galvanic element, the force sensor can also be arranged at approximately the same height on an outer side of the housing of the cell if an additional cell adjoins this outer side to form a cell module comprising several cells. In this way, the respiration of the cell can be detected.
Bei Einsatz des Gasdrucksensors in der Vorrichtung kann dieser in dem When using the gas pressure sensor in the device, this can in the
Freiraum der Zelle angeordnet sein. Der Gasdrucksensor kann ausgebildet sein, um einen auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements und/oder einem Komponentenaustritt aus dem galvanischen Element basierenden Gasinnendruck der Zelle zu erfassen. Free space of the cell can be arranged. The gas pressure sensor may be designed to detect an internal gas pressure of the cell based on a change in volume of the galvanic element and / or a component leakage from the galvanic element.
Die Zustandsgröße kann hier einen Ladezustand und/oder einen The state variable can here a charge state and / or a
Alterungszustand und/oder eine Dichtheit der Zelle repräsentieren. Der Represent aging state and / or tightness of the cell. Of the
Ladezustand kann einen aktuellen Lade- oder Entladevorgang der Zelle beschreiben und beispielsweise von einem aktuell herrschenden Charge state can describe a current charging or discharging process of the cell and, for example, from a currently prevailing
Umgebungsdruck, z. B. dem Luftdruck, beeinflusst werden. Auch dieser Umstand kann von der hier vorgestellten Vorrichtung berücksichtigt werden.  Ambient pressure, z. As the air pressure can be influenced. This circumstance can also be taken into account by the device presented here.
Alterungszustand und Dichtheit der Zelle können mit einem Gesundheitszustand der Zelle korrelieren. Insbesondere eine Kombination aus Kraftsensor und Gasdrucksensor kann es hier ermöglichen festzustellen, ob z. B. ein detektierterThe aging state and tightness of the cell can correlate with a state of health of the cell. In particular, a combination of force sensor and gas pressure sensor can make it possible to determine whether z. B. a detected
Defekt der Zelle auf eine Überalterung der Zelle oder z. B. auf einen Riss einer Hüllfolie des galvanischen Elements zurückzuführen ist. Mit der exakten Defect of the cell on an aging of the cell or z. B. is due to a crack of a cladding film of the galvanic element. With the exact
Zuordnung eines erfassten Wertes zu unterschiedlichen Funktionalitäten der Zelle kann ein die Vorrichtung einsetzendes Batteriemanagementsystem besonders effektiv arbeiten und so Wartungs- und Reparaturkosten verringern und die Sicherheit eines Fahrzeugs verbessern. Assigning a detected value to different functionalities of the cell, a battery management system employing the device can operate particularly effectively and thus reduce maintenance and repair costs and improve the safety of a vehicle.
Insbesondere kann der Kraftsensor und/oder der Gasdrucksensor als eine für eine Messwerterfassung funktionalisierte elastische Folie ausgebildet sein. In particular, the force sensor and / or the gas pressure sensor can be designed as an elastic film functionalized for a measured value acquisition.
Beispielsweise kann der Kraftsensor und/oder der Gasdrucksensor auf einer das galvanische Element umschließenden Hüllfolie aufgebracht sein oder Teil einer solchen Hüllfolie sein. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sich der Sensor so gut ein eine Dehnung des galvanischen Elements anpassen und so einen Messwert besonders unverfälscht und verlustfrei erfassen kann. Auch ist der Kraft- bzw. Gasdrucksensor in dieser Ausführungsform besonders platzsparend und einfach zu installieren. In einer speziellen Ausführungsform können Kraft- und Gasdrucksensor in einer einzigen Folie, die den gesamten Zellwickel umspannt, kombiniert sein. For example, the force sensor and / or the gas pressure sensor may be applied to a part of the enveloping foil enclosing the galvanic element be such a wrapper. The advantage of this embodiment is that the sensor can adapt so well to an expansion of the galvanic element and thus capture a measured value in a particularly unadulterated and loss-free manner. Also, the force or gas pressure sensor is particularly space-saving and easy to install in this embodiment. In a particular embodiment, force and gas pressure sensors may be combined in a single foil spanning the entire cell coil.
Eine Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung gemäß einer der im A cell for the conversion of chemical energy into electrical energy is characterized in that it comprises a device according to one of the
Vorangegangenen erläuterten Ausführungsformen aufweist. Previously explained embodiments has.
Ein Zellenmodul zum Bereitstellen elektrischer Energie weist die folgenden Merkmale auf: eine Mehrzahl von Zellen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei jede der Mehrzahl von Zellen mindestens ein galvanisches Element und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse umfasst, und wobei die Zellen der Mehrzahl von Zellen in einer Reihe benachbart zueinander angeordnet sind; ein die Mehrzahl von Zellen umgreifendes Spannelement, das ausgebildet ist, um einen gegen einen durch eine Volumenänderung der Zellen verursachten Druck wirkenden Gegendruck bereitzustellen; und mindestens eine Vorrichtung gemäß einer der im Vorangegangenen erläuterten Ausführungsformen, die zumindest einer der Mehrzahl von Zellen des A cell module for providing electrical energy has the following features: a plurality of cells for converting chemical energy into electrical energy, each of the plurality of cells comprising at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element, and wherein the cells of the plurality of cells in a row are arranged adjacent to each other; a clamping element encompassing the plurality of cells, which is designed to provide a back pressure acting against a pressure caused by a change in volume of the cells; and at least one device according to one of the embodiments explained above, the at least one of the plurality of cells of the
Zellenmoduls zugeordnet ist. Cell module is assigned.
Das Zellenmodul kann beispielsweise einen Antriebsakkumulator für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bilden oder Teil eines solchen Antriebsakkumulators sein. Das Spannelement kann als ein Spannband ausgeführt sein, das um eine Breitseite der Zellenanordnung herumgeführt ist und diese eng umschließt. So kann das Spannelement einen Gegendruck für eine durch Volumenänderung der galvanischen Zellen verursachte Aufweitung der Zellen bereitstellen. The cell module can for example form a drive accumulator for an electric or hybrid vehicle or be part of such a drive accumulator. The tensioning element can be designed as a tensioning band, which is guided around a broad side of the cell arrangement and closely surrounds it. Thus, the tensioning element can provide a back pressure for a widening of the cells caused by volume change of the galvanic cells.
Entsprechend kann die Volumenänderung galvanischen Elemente lediglich eine versuchte Aufweitung der Zellen zur Folge haben, wobei die Inneren der Zelle wirkenden Kräfte dann umso besser von den dort angeordneten Sensoren erfasst und gemessen werden können. Es kann nur eine der Zellen des Moduls die hier vorgeschlagene Vorrichtung aufweisen, oder die Vorrichtung kann in jeder der Zellen installiert sein. Die Vorrichtung kann dabei jeweils eine unterschiedliche Anzahl der sie bildenden Gasdruck- und/oder Kraftsensoren aufweisen. Accordingly, the change in volume galvanic elements only one attempted expansion of the cells result in which the forces acting inside the cell can then be better detected and measured by the sensors arranged there. Only one of the cells of the module may have the device proposed herein, or the device may be installed in each of the cells. The device may in each case have a different number of the gas pressure and / or force sensors forming it.
Ein Verfahren zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die Zelle mindestens ein galvanisches Element und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse umfasst, kann den folgenden Schritt aufweisen: A method for determining a state quantity of a cell for the conversion of chemical energy into electrical energy, wherein the cell comprises at least one galvanic element and a housing surrounding the galvanic element, may comprise the following step:
Ermitteln der Zustandsgröße, basierend auf einem eine Volumenänderung der Zelle und/oder einen Gasinnendruck der Zelle repräsentierenden Signal. Determining the state quantity based on a signal representing a volume change of the cell and / or an internal gas pressure of the cell.
Das die Volumenänderung und/oder den Gasinnendruck repräsentierende Signal kann durch den Kraftsensor und/oder den Gasdrucksensor der Vorrichtung bereitgestellt werden. Somit kann das Verfahren von Einrichtungen der The signal representing the volume change and / or the internal gas pressure may be provided by the force sensor and / or the gas pressure sensor of the device. Thus, the procedure of facilities of the
Vorrichtung oder von einem beispielsweise mit einer entsprechenden Vorrichtung gekoppelten Steuergerät ausgeführt werden. Device or be executed by a coupled, for example, with a corresponding device controller.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt eines According to one embodiment, the method may be a step of
Bestimmens des die Volumenänderung repräsentierenden Signals aufweisen, und zwar durch Erfassung einer Dehnung einer einem zwischen dem mindestens einen galvanischen Element und dem Gehäuse befindlichen Freiraum Determining the volume change signal representing, by detecting an expansion of a between the at least one galvanic element and the housing located free space
zugewandten Schmalseite des galvanischen Elements und/oder durch Erfassung eines auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements basierenden und auf die Hauptseite des galvanischen Elements wirkenden Drucks. So kann in dem in dem Schritt des Ermitteins ein durch die Zustandsgröße repräsentierter Ladezustand der Zelle bestimmt werden. Beispielsweise kann das Verfahren je ein Signal eines ersten an der Schmalseite des galvanischen Elements angeordneten Kraftsensors und eines zweiten an der Hauptseite des Thus, in the step of determining, a state of charge of the cell represented by the quantity of state can be determined in the step of the determination. For example, the method may include one signal each of a first force sensor arranged on the narrow side of the galvanic element and a second on the main side of the
galvanischen Elements angeordneten Kraftsensors verwenden, wobei durch eine Korrelation beider Signale der Ladezustand z. B. von einer Aufweitung des Elements aufgrund eines Defekts eindeutig abgegrenzt werden kann. So können überflüssige Wartungseinsätze wirksam vermieden werden. use arranged galvanic element force sensor, wherein by a correlation of both signals, the state of charge z. B. from an expansion of the Elements can be clearly distinguished due to a defect. Thus, superfluous maintenance operations can be effectively avoided.
Auch kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens des den Gasinnendruck der Zelle repräsentierenden Signals aufweisen, nämlich durch Erfassung eines auf der Volumenänderung des galvanischen Elements und/oder einem The method may also include a step of determining the signal representing the gas internal pressure of the cell, namely by detecting a change in the volume of the galvanic element and / or a
Komponentenaustritt aus dem galvanischen Element basierenden Component leakage based on the galvanic element
Gasinnendrucks in dem Freiraum der Zelle. So kann in dem Schritt des Gas internal pressure in the free space of the cell. So in the step of
Ermitteins eine durch die Zustandsgröße repräsentierte Dichtheit der Zelle bestimmt werden. A density of the cell represented by the state quantity must be determined.
Einzelne oder alle Schritte des Verfahrens können beispielsweise von einem Steuergerät, das über einen CAN-Bus eines Fahrzeugs mit der Zelle verbunden sein kann, durchgeführt werden. Zum Ermitteln der Zustandsgröße kann beispielsweise ein geeigneter Algorithmus eingesetzt werden. For example, one or more steps of the method may be performed by a controller that may be connected to the cell via a CAN bus of a vehicle. For example, a suitable algorithm can be used to determine the state variable.
Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The control unit can be designed to perform or implement the steps of the method according to the invention in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The controller may have interfaces that may be designed in hardware and / or software. In a hardware training, the interfaces may for example be part of a so-called system ASICs, the various functions of the
Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskretenControl unit includes. However, it is also possible that the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially discrete
Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Consist of components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules. An advantage is also a computer program product with program code, which on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a Hard disk space or an optical storage can be stored and used to carry out the method according to one of the embodiments described above, when the program product is executed on a computer or a device.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Zelle mit einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgröße der Zelle, gemäß einem 1 is a perspective view of a cell with a device for determining a state quantity of the cell, according to a
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;  Embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine Schnittansicht der Zelle aus Fig. 1 ; Fig. 2 is a sectional view of the cell of Fig. 1;
Fig. 3 die Zelle aus Fig. 1 im aufgeweiteten Zustand; FIG. 3 shows the cell from FIG. 1 in the expanded state; FIG.
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Zellenmoduls gemäß einem 4 is a perspective view of a cell module according to a
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und  Embodiment of the present invention; and
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer 5 is a flowchart of a method for determining a
Zustandsgröße einer Zelle, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.  State size of a cell, according to an embodiment of the present invention.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren In the following description of preferred embodiments of the present invention are for the in the various figures
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche represented and similar elements acting the same or similar
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Reference numeral used, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Fig. 1 zeigt anhand einer dreidimensionalen Darstellung einen Schnitt durch eine prismatische Batteriezelle 100 in Quaderform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Zelle 100 umfasst eine Mehrzahl von 1 shows a three-dimensional representation of a section through a prismatic battery cell 100 in cuboid shape according to an embodiment of the present invention. The cell 100 includes a plurality of
galvanischen Elementen 105 in Form von flachen Zellwickeln, die von einem Gehäuse 1 10 der Zelle umschlossen sind. Die galvanischen Elemente 105 sind in Form eines liegenden Stapels angeordnet und durch das Gehäuse 1 10 fest eingefasst. Das Gehäuse 1 10 ist aus Aluminium gebildet und ist an einer Oberseite von Kontakten 1 15 zur elektrischen Anbindung der galvanischen Elemente 105 durchbrochen. In der hier gezeigten Schnittansicht ist jedoch lediglich ein Kontakt 1 15, der (in der Darstellung nicht gezeigte) Anoden der galvanischen Elemente 105 kontaktiert, gezeigt. galvanic elements 105 in the form of flat cell coils, which are enclosed by a housing 1 10 of the cell. The galvanic elements 105 are arranged in the form of a horizontal stack and firmly enclosed by the housing 1 10. The housing 1 10 is formed of aluminum and is at a Top of contacts 1 15 for electrical connection of the galvanic elements 105 pierced. In the sectional view shown here, however, only a contact 15, which contacts (not shown in the illustration) anodes of the galvanic elements 105, is shown.
Die Zelle 100 weist eine Vorrichtung 120 zum Ermitteln einer Zustandsgröße der Zelle 100 auf, wobei die Zustandsgröße einen Gesundheitszustand bzw. SOH (State of Health) und/oder einen Ladezustand bzw. SOC (State of Charge) der Zelle 100 beschreibt. Die Vorrichtung 120 bildet einen Kombisensor und umfasst einen ersten Kraftsensor 125, einen zweiten Kraftsensor 130 und einen The cell 100 has a device 120 for determining a state variable of the cell 100, the state variable describing a state of health or SOH and / or a state of charge of the cell 100. The device 120 forms a combined sensor and comprises a first force sensor 125, a second force sensor 130 and a
Gasdrucksensor 135, die jeweils als Foliensensoren ausgebildet sind. Die Vorrichtung 120 ist hier lediglich einem von vier galvanischen Elementen zugeordnet, kann alternativ aber auch sämtliche der Zellwickel in einer  Gas pressure sensor 135, which are each formed as a film sensors. The device 120 is here associated with only one of four galvanic elements, but may alternatively all of the cell coils in one
Batteriezelle mit Sensoren belegen. Assign battery cell with sensors.
Der erste Kraftsensor 125 ist als ein Dehnungssensor ausgeführt und parallel zu einer durch eine Strichlinie in der Darstellung gekennzeichneten X-Achse an einer zu einem Hohlraum 140 der Zelle 100 hin ausgerichteten Schmalseite 145 des galvanischen Elements 105 angeordnet. Der Dehnungssensor 125 misst eine Volumenänderung des Zellwickels 105 an der Oberfläche, indem eine durch die Volumenänderung hervorgerufene Dehnung des Zellwickels 105 detektiert wird. Die Erfassung der Dehnung erfolgt hier durch einen in den Kraftsensor 125 integrierten Dehnungsmessstreifen (DMS). Die Position dieses Sensors 125 ermöglicht eine stark entkoppelte Messung der Volumenänderung mit geringer Beeinflussung durch die Nachbarzellen 105. Der zweite Kraftsensor 130 ist mittig an einer Hauptseite des galvanischen Elements 105 angeordnet und misst eine Kraft durch eine versuchte Volumenänderung des Zellwickels entlang der X- Achse. Das Messverfahren erfolgt hier unter Verwendung eines DMS in weichem Material, welches durch Krafteinwirkung entlang der X-Achse normal zu der X- Achse "auseinander fließt". Durch einen gemeinsamen Kraftpfad aller galvanischen Elemente 105 misst der zweite Kraftsensor 130 hierbei eine absolute Summe der einwirkenden Kräfte entlang der X-Achse und damit eine Summe der Volumenänderung aller Modulzellen 105. Da bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 120 sowohl der erste Kraftsensor 125 als auch der zweite Kraftsensor 130 auf dem DMS-Prinzip basieren, sind hier der erste Kraftsensor 125 und der zweite Kraftsensor 130 identisch aufgebaut. Alternativ kann der zweite Kraftsensor 130 die einwirkenden Kräfte auch z. B. kapazitiv oder piezoresistiv erfassen. Der Gasdrucksensor 135 zwischen zwei der Zellwickel 105 angeordnet und zu dem Freiraum 140 hin ausgerichtet und damit von einer Dehnung der galvanischen Elemente 105 nahezu komplett entkoppelt. Damit ist Gasdrucksensor 135 zur Messung einesThe first force sensor 125 is designed as a strain sensor and is arranged parallel to an X-axis indicated by a dashed line in the illustration on a narrow side 145 of the galvanic element 105 which is aligned with a cavity 140 of the cell 100. The strain sensor 125 measures a volume change of the cell coil 105 at the surface by detecting an expansion of the cell coil 105 caused by the volume change. The strain is recorded here by a strain gauge (DMS) integrated in the force sensor 125. The position of this sensor 125 allows a highly decoupled measurement of volume change with little interference from the neighboring cells 105. The second force sensor 130 is centered on a major side of the galvanic element 105 and measures a force by an attempted volume change of the cell coil along the X-axis. The measurement method is here using a strain gauge in soft material, which "flows apart" by force along the X-axis normal to the X-axis. As a result of a common force path of all galvanic elements 105, the second force sensor 130 measures an absolute sum of the acting forces along the X-axis and thus a sum of the volume change of all modulus cells 105. Since in the embodiment of the device 120 shown in FIG Force sensor 125 and the second force sensor 130 based on the DMS principle, here the first force sensor 125 and the second force sensor 130 are identical built up. Alternatively, the second force sensor 130, the acting forces also z. B. capacitive or piezoresistive capture. The gas pressure sensor 135 is arranged between two of the cell wraps 105 and aligned with the free space 140 and thus almost completely decoupled from an expansion of the galvanic elements 105. This gas pressure sensor 135 is for measuring a
Gasdrucks in der Zelle 100 geeignet, womit Rückschlüsse auf einen SOH der Zelle 100 ermöglicht werden. Der Gasdrucksensor 135 ist hier kapazitiv mit starren Elektroden und weicher Anbringung an den Zellwickel 105 ausgeführt. Hierdurch kann ein mögliches Ausgasen der galvanischen Elemente 105 überwacht werden, welches einen ansteigenden Innendruck der Zelle 100 zurGas pressure in the cell 100, thus allowing conclusions on a SOH of the cell 100 are possible. The gas pressure sensor 135 is embodied here capacitively with rigid electrodes and soft attachment to the cell coil 105. As a result, a possible outgassing of the galvanic elements 105 can be monitored, which increases the internal pressure of the cell 100
Folge hat. Somit können auch die Druckverhältnisse während Ladezyklen der Zelle 100 erfasst werden. Ferner kann auch eine Beschädigung der Zelle erfasst werden, d. h., ein abrupter Druckanstieg infolge eines Unfalles oder ein starker Druckabfall durch das Öffnen der Außenhülle der Zelle 100 oder einer Episode has. Thus, the pressure conditions during charging cycles of the cell 100 can be detected. Furthermore, damage to the cell can also be detected, i. h., An abrupt increase in pressure due to an accident or a large pressure drop by opening the outer shell of the cell 100 or a
Außenhülle eines der Zellwickel 105. Outer shell of one of the cell wraps 105.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung aus der Zelle 100 und der Vorrichtung 120 wird von einer festen äußeren mechanischen Einspannung der Zelle 100 ausgegangen (siehe nachfolgende Fig. 4). Die Verwendung der drei oben erläuterten Sensoren 125, 130 und 135 für den Kombisensor 120 ist für eine optimale Erfassung aller auf die Zelle 100 einwirkenden Kräfte sinnvoll; durch den Einsatz sowohl des ersten Kraftsensors 125 und zweiten Kraftsensors 130 als auch des Gasdrucksensors 135 können der SOH, der SOC und die In the arrangement of the cell 100 and the device 120 shown in FIG. 1, a fixed external mechanical clamping of the cell 100 is assumed (see the following FIG. 4). The use of the three above-discussed sensors 125, 130 and 135 for the combination sensor 120 is useful for an optimal detection of all forces acting on the cell 100 forces; By using both the first force sensor 125 and the second force sensor 130 and the gas pressure sensor 135, the SOH, the SOC and the
Hermetizität der Zelle 100 sehr genau bestimmt werden. Jedoch sind auch mit einem Einsatz von zwei Sensoren oder lediglich einem Sensor aussagekräftigeHermeticity of the cell 100 can be determined very accurately. However, even with the use of two sensors or only one sensor are meaningful
Ergebnisse erzielbar. So können lediglich der zweite Kraftsensor 130 und der Gasdrucksensor 135 verwendet werden, um den SOH und die Hermetizität einer in einem Zellenmodul angeordneten Zelle 100 zu berechnen sowie einen über das Modul gemittelten SOC. Dabei können zusätzlich zu den von dem zweiten Kraftsensor 130 und dem Gasdrucksensor 135 gelieferten Werten Results achievable. Thus, only the second force sensor 130 and the gas pressure sensor 135 may be used to calculate the SOH and hermeticity of a cell 100 disposed in a cell module and an SOC averaged over the module. In this case, in addition to the values supplied by the second force sensor 130 and the gas pressure sensor 135
Klemmenspannungen der Zellen 100 des Zellenmoduls gemessen werden, um so wieder zu einer Aussage über den SOC jeder Zelle 100 zu gelangen.  Terminal voltages of the cells 100 of the cell module are measured so as to get back to a statement about the SOC of each cell 100.
Alternativ kann ausschließlich der Gasdrucksensor 135 eingesetzt werden, um zu einer Aussage über den SOH und die Hermetizität zu gelangen; der SOC wird dabei klassisch aus anderen Messgrößen gewonnen. Auch eine Kombination des ersten Kraftsensors 125 mit dem Gasdrucksensor 135 ist möglich. Damit können der SOH, der SOC und die Hermetizität berechnet werden, wobei hier jedoch mit einer geringeren Genauigkeit als bei einer Verwendung aller drei Sensoren 125, 130 und 135 zu rechnen ist. Schließlich erlaubt eine Kombination des ersten Kraftsensors 125 mit dem zweiten Kraftsensor 130 über eine Alternatively, only the gas pressure sensor 135 can be used to arrive at a conclusion about the SOH and the hermeticity; The SOC is classically derived from other parameters. A combination of the first force sensor 125 with the gas pressure sensor 135 is possible. In order to For example, the SOH, SOC and hermeticity can be calculated, but with a lower accuracy than if all three sensors 125, 130 and 135 are used. Finally, a combination of the first force sensor 125 with the second force sensor 130 via a
Mittelung über Lade-/Entladezyklen der galvanischen Elemente 105 eine Averaging over charge / discharge cycles of the galvanic elements 105 a
Messung des SOH bzw. des Gasdrucks.  Measurement of SOH or gas pressure.
Anschlüsse der Sensoren 125, 130 und 135 können über Durchführungen in dem Gehäuse 1 10 der Zelle 100 nach außen geführt werden (in der Darstellung in Fig. 1 nicht gezeigt). Die Sensoren 125, 130 und 135 und gegebenenfalls eine (in der Darstellung ebenfalls nicht gezeigte) Sensorauswerteelektronik können über die Zellspannung versorgt werden. Terminals of sensors 125, 130 and 135 may be routed outwardly via feedthroughs in housing 110 of cell 100 (not shown in the illustration in FIG. 1). The sensors 125, 130 and 135 and optionally a sensor evaluation electronics (also not shown in the illustration) can be supplied via the cell voltage.
Fig. 2 zeigt eine weitere Schnittansicht der prismatischen Batteriezelle 100 aus Fig. 1 , mit Längsschnitt durch das die Sensoren 125, 130, 135 aufweisende galvanische Element 105, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Ansicht sind auch eine Kathode 200 sowie eine Anode 205 zu sehen, über die ein in dem galvanischen Element 105 erzeugter elektrischer Strom an die Kontakte der Zelle und nach außen geführt werden kann. FIG. 2 shows a further sectional view of the prismatic battery cell 100 from FIG. 1, with a longitudinal section through the galvanic element 105 having the sensors 125, 130, 135, according to one exemplary embodiment of the present invention. In this view, also a cathode 200 and an anode 205 can be seen, via which an electrical current generated in the galvanic element 105 can be conducted to the contacts of the cell and to the outside.
Aus Fig. 2 sind die einzelnen Positionen der als Foliensensoren ausgebildeten Messwertaufnehmer 125, 130 und 135 gut ersichtlich. Der erste Kraftsensor 125 wird durch eine Volumenänderung des Zellwickels 105 gedehnt. Die Erfassung der Dehnung erfolgt wie bereits anhand von Fig. 1 erläutert mit dem DMS- Prinzip. Der zweite Kraftsensor 130 ist in einem Mittelbereich einer HauptseiteFrom Fig. 2, the individual positions of the trained as a film sensors transducers 125, 130 and 135 are clearly visible. The first force sensor 125 is stretched by a volume change of the cell coil 105. The determination of the elongation takes place as already explained with reference to FIG. 1 with the DMS principle. The second force sensor 130 is in a central area of a main side
210 des galvanischen Elements 105 angeordnet ist. Der zweite Kraftsensor 130 liegt somit in dem in Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Kraftpfad der 210 of the galvanic element 105 is arranged. The second force sensor 130 thus lies in the force path explained in connection with FIG
Mehrzahl von aufeinandergestapelten Zellwickeln 105 und misst hierbei die Kraft, die durch die versuchte Volumenänderung des Zellwickels 105 entlang des Kraftpfades entsteht. Wie bereits erläutert erfolgt die Messung mit DMS in weichem Material, welches durch die Kraft entlang der in Fig. 1 dargestellten X- Achse normal zu X "auseinander fließt", kann jedoch alternativ auch z .B. A plurality of stacked cell coils 105 and thereby measures the force that results from the attempted volume change of the cell coil 105 along the force path. As already explained, the measurement is performed with DMS in soft material, which "flows apart" normal to X as a result of the force along the X-axis shown in FIG. 1, but may alternatively also be, for example,.
kapazitiv oder piezoresistiv durchgeführt werden. Alternativ kann der zweite Kraftsensor 130 wie in Fig. 2 dargestellt angeordnet sein, aber nicht die Kraft direkt, sondern eine Größe einer Auflagefläche zwischen dem Zellwickel 105 und einem weiteren Zellwickel 105 oder zwischen dem Zellwickel 105 und einer Wand des Gehäuses 1 10 der Zelle 100 bestimmen. Der Gasdrucksensor 135 liegt außerhalb des Kraftpfades in einem Randbereich des Zellwickels 105 und somit an einer Stelle, an der sich das galvanische Element 105 ungehindert durch andere Zellwickel 105 des Stapels ausdehnen kann. Der Gasdrucksensor 135 ist somit von der Dehnung entkoppelt und misst den Gasdruck innerhalb dercapacitive or piezoresistive be performed. Alternatively, the second force sensor 130 may be arranged as shown in Fig. 2, but not the force directly, but a size of a bearing surface between the cell coil 105 and another cell coil 105 or between the cell coil 105 and a Determine wall of the housing 1 10 of the cell 100. The gas pressure sensor 135 is located outside of the force path in an edge region of the cell coil 105 and thus at a position at which the galvanic element 105 can extend unhindered through other cell coils 105 of the stack. The gas pressure sensor 135 is thus decoupled from the expansion and measures the gas pressure within the
Zelle 100, z. B. kapazitiv mit starren Elektroden und weicher Anbringung an den Zellwickel 105. Cell 100, e.g. B. capacitive with rigid electrodes and soft attachment to the cell coil 105th
Wie die Darstellung in Fig. 2 zeigt, dass die Sensorschichten 125, 130 zur Erfassung der Dehnung lokal begrenzt auf der Trägerfolie bzw. Hüllfolie desAs the illustration in FIG. 2 shows, the sensor layers 125, 130 are limited locally on the carrier foil or wrapping film of the invention for detecting the elongation
Zellwickels 105 platziert sind, an Positionen an denen ein Auftreten einer Dehnung maximal ist. Mit dieser Maßnahme kann die Sensitivität der Sensoren 125, 130 gesteigert werden. Die zu zur Messwerterfassung funktionalisierten Folien für die Kraft- bzw. Dehnungssensoren 125 und 130 können als Variante auch als Ganzes um den Wickel 105 geführt werden. Die Erfassung der Cell coils 105 are placed, at positions at which an occurrence of an elongation is maximum. With this measure, the sensitivity of the sensors 125, 130 can be increased. The films for the force or strain sensors 125 and 130 which are functionalized for the measurement value acquisition can, as a variant, also be guided as a whole around the winding 105. The capture of
Druckerhöhung bzw. Krafterhöhung kann dann über eine große Fläche (Integral) erfolgen, um u. U. falsche Messwerte aufgrund lokaler Materialschwankungen zu verhindern. Eine etwaige Verfälschung der Druckerhöhung aufgrund von  Pressure increase or force increase can then take place over a large area (integral) to u. U. to prevent incorrect readings due to local material fluctuations. A possible distortion of the pressure increase due to
Temperatureinflüssen kann dabei beispielsweise über einen zweiten Temperatur- Foliensensor kompensiert werden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Temperature influences can be compensated for example via a second temperature film sensor. In that shown in Fig. 2
Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 120 weisen die lokal aufgebrachten  Embodiment of the device 120 have the locally applied
Sensorschichten 125, 130, 135 eine Rechteckform mit abgerundeten Ecken auf. Gemäß alternativer Ausführungsformen können die Sensorschichten 125, 130, 135 beliebige Formen aufweisen. Auch können die Sensoren 125, 130 und 135 anstelle eines zusammenhängenden Folienstücks auch jeweils aus verteiltenSensor layers 125, 130, 135 a rectangular shape with rounded corners. According to alternative embodiments, the sensor layers 125, 130, 135 may have any shapes. Also, the sensors 125, 130 and 135 may be distributed instead of a contiguous piece of film, respectively
Subsensoren bestehen, um Spannungsverläufen aufgrund des Subsensors exist to stress due to the
Zellwickelaufbaues Rechnung zu tragen. Messsignale des ersten Kraftsensors 125, des zweiten Kraftsensors 130 und des Gasdrucksensors 135 können über eine in der Zelle 100 integrierte Elektronik (diskret oder ASIC) ausgelesen und verarbeitet werden. Die Auswertelektronik kann mit den Sensoren125, 130, 135, gegebenenfalls als Polymerelektronik, in bzw. auf der Folie integriert sein. Zellwickelaufbaues account. Measurement signals of the first force sensor 125, the second force sensor 130 and the gas pressure sensor 135 can be read out and processed via an electronics (discrete or ASIC) integrated in the cell 100. The evaluation electronics can be integrated with the sensors 125, 130, 135, optionally as polymer electronics, in or on the film.
Fig. 3 zeigt die galvanische Zelle 100 in der in Fig. 1 dargestellten FIG. 3 shows the galvanic cell 100 in that shown in FIG
perspektivischen Ansicht in aufgeweitetem Zustand gemäß einem perspective view in the expanded state according to a
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei einer Volumenvergrößerung der galvanischen Elemente 105 aufgrund einer Einlagerung von Lithium (Zellenaufladung, SOC-Maximierung) kommt es bei fehlendem Gegendruck von außen auf das Gehäuse 1 10 der Zelle 100 infolge einer durch Pfeile in der Darstellung gekennzeichneten Ausdehnungskraft 300 zu einer Aufweitung der Zelle 100. Fig. 3 zeigt diesen Zustand lediglich theoretisch, da für eine einwandfreie Funktionalität der hierin vorgestellten Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgroße der Zelle 100 ein vorhandener Gegendruck Voraussetzung ist. Die nachfolgende Fig. 4 erläutert eine Möglichkeit zur Bereitstellung eines geeigneten Gegendrucks. Fig. 4 zeigt anhand einer weiteren perspektivischen Darstellung einen Embodiment of the present invention. With an increase in volume of the galvanic elements 105 due to an incorporation of lithium (Cell charging, SOC maximization) occurs in the absence of back pressure from the outside on the housing 1 10 of the cell 100 as a result of an expansion force 300 indicated by arrows in the illustration to a widening of the cell 100. Fig. 3 shows this state only theoretically, since proper functionality of the apparatus provided herein for determining a conditional size of the cell 100 is an existing backpressure condition. The following Fig. 4 illustrates a way to provide a suitable back pressure. Fig. 4 shows a further perspective view of a
Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Zellenmoduls 400, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Schnittbild zeigt mehrere Zellen 100, die aneinandergereiht und aneinander angrenzend das Batterie-Modul 400 bilden. Ein als Spannband ausgeführtes Spannelement 410 umgreift die Anordnung von Zellen 100 und stellt so eine auf die Außenflächen der Zellen 100 wirkende Vorpresskraft bereit, über die ein in der Darstellung in Fig. 4 mittels Pfeilen gekennzeichneter Gegendruck 420 gegen den nach außen wirkenden Druck der sich aufweitenden galvanischen Elemente 105 der Zellen 100 aufgebaut werden kann. Dem Ausführungsbeispiel ist der zweite Kraftsensor 130 jeder Zelle 100 innerhalb der Zelle angeordnet. Alternativ kann der zweite Cross section through an embodiment of a cell module 400, according to an embodiment of the present invention. The cross-sectional view shows a plurality of cells 100 that are lined up and adjacent to each other to form the battery module 400. A tensioning element 410 designed as a tension band surrounds the arrangement of cells 100 and thus provides a pre-pressing force acting on the outer surfaces of the cells 100, over which a counter-pressure 420, indicated by arrows in FIG. 4, widens against the outward-acting pressure of the expanding one galvanic elements 105 of the cells 100 can be constructed. In the embodiment, the second force sensor 130 of each cell 100 is disposed within the cell. Alternatively, the second
Kraftsensor 130 aber auch außerhalb, zwischen den Zellen 100 des Moduls 400 angeordnet sein. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel des Force sensor 130 but also outside, be arranged between the cells 100 of the module 400. In the embodiment of the shown in Fig. 4
Zellenmoduls 400 tauschen Sensoren, bzw. ihre Elektronik, die in benachbarten Zellen 100 eingebaut sind, ihre Daten direkt, ohne Umweg über das Steuergerät, aus und berechnen den individuellen SOH und SOC der beteiligten Zellen 100 aus der Summe dieser Daten. Cell module 400 exchange sensors, or their electronics, which are installed in adjacent cells 100, their data directly, without detour via the controller, and calculate the individual SOH and SOC of the cells 100 involved from the sum of these data.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens 500 zum Bestimmen einer Zustandsgroße einer Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Zelle eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Zustandsgroße der Zelle, wie sie anhand der vorangegangenen Figuren vorgestellt wurde, zugeordnet. FIG. 5 shows an embodiment of a flowchart of a method 500 for determining a state quantity of a cell for converting chemical energy into electrical energy, according to one embodiment of the present invention. In this case, the cell is associated with a device for determining a state size of the cell, as presented with reference to the preceding figures.
In einem Schritt 510A wird an einer Schmalseite eines galvanischen Elements der Zelle und/oder an einer quer zu der Schmalseite verlaufenden Hauptseite des galvanischen Elements eine Volumenänderung des galvanischen Elements erfasst und ein entsprechendes Signal an ein mit der Vorrichtung gekoppeltes Steuergerät gesendet. In einem Schritt 51 OB wird in einem Freiraum zwischen der Schmalseite des galvanischen Elements und einem Gehäuse der Zelle ein in dem Freiraum bestehender Gasinnendruck der Zelle erfasst und wiederum ein entsprechendes Signal an das mit der Vorrichtung gekoppelte Steuergerät gesendet. Die Schritte 510A und 51 OB können zeitgleich oder In a step 510A, a cell is placed on a narrow side of a galvanic cell and / or on a main side transverse to the narrow side the galvanic element detects a change in volume of the galvanic element and sends a corresponding signal to a device coupled to the control unit. In a step 51.sub.OB, a gas internal pressure of the cell existing in the clearance is detected in a free space between the narrow side of the galvanic element and a housing of the cell, and in turn a corresponding signal is sent to the control device coupled to the device. Steps 510A and 51BB may be concurrent or
aufeinanderfolgend durchgeführt werden, oder das Verfahren kann auf Schritt 510A oder auf Schritt 51 OB verzichten. In einem Schritt 520 wird basierend auf dem die Volumenänderung des galvanischen Elements repräsentierenden Signal und/oder auf dem den Gasinnendruck repräsentierenden Signal die or the method may omit step 510A or step 51B0. In a step 520, based on the signal representing the volume change of the galvanic element and / or on the signal representing the gas internal pressure, the
Zustandsgröße ermittelt, die je nach Kombination oder Auswertung beider Signale oder eines der Signale mit weiteren dem Steuergerät übermittelten Daten Rückschlüsse z. B. auf einen Ladezustand oder eine Dichtheit der Zelle erlaubt. State variable determined, depending on the combination or evaluation of both signals or one of the signals with other data transmitted to the control unit conclusions z. B. allowed to a state of charge or tightness of the cell.
Gemäß weiteren und in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsbeispielen des Verfahrens 500 kann das Verfahren 500 eine Regelschleife enthalten oder Teil einer Regelschleife sein, die aufgrund der Sensordaten die Lade- und According to further exemplary embodiments of the method 500, which are not shown in the figures, the method 500 may include a control loop or be part of a control loop which, based on the sensor data, the load and
Entladevorgänge der Batterie bzw. Zelle steuert. Auch kann das Verfahren 500 auf Basis der Messwerte eine Zellheizung regeln. Ein detektierter Verlust derDischarges the battery or cell controls. The method 500 can also regulate cell heating on the basis of the measured values. A detected loss of
Hermetizität oder ein kritischer SOH kann dem zentralen Fahrzeugsteuergerät und/oder dem Fahrer - z. B. über eine Warnleuchte - mitgeteilt werden. Zur Verrechnung der Messwerte kann ein Kennfeld eingesetzt werden, das gegebenenfalls aus Messfahrten gewonnen wurde. Ferner kann die integrierte Elektronik die Daten und/oder Steuerbefehle einer Regelschleife z. B. über eineHermetic or a critical SOH can the central vehicle control unit and / or the driver -. B. via a warning light - be communicated. To calculate the measured values, a characteristic field can be used, which may have been obtained from test drives. Furthermore, the integrated electronics, the data and / or control commands of a control loop z. B. over a
Power-Line-Kommunikation mit einem zentralen Steuergerät austauschen. Auch kann eine (Polymer-)Schaltermatrix verwendet werden, um die Sensorsignale zu multiplexen. Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Exchange power line communication with a central control unit. Also, a (polymer) switch matrix can be used to multiplex the sensor signals. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

Claims

Ansprüche claims
1 . Vorrichtung (120) zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle (100) zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die Zelle mindestens ein galvanisches Element (105) und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse (1 10) umfasst, und wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: einen Kraftsensor (125, 130) zum Bestimmen einer Volumenänderung der Zelle, um basierend auf der Volumenänderung die Zustandsgröße zu ermitteln; und/oder einen Gasdrucksensor (135) zum Bestimmen eines Gasinnendrucks der Zelle in einem zwischen dem mindestens einen galvanischen Element und dem Gehäuse befindlichen Freiraum (140) der Zelle, um basierend auf dem Gasinnendruck die Zustandsgröße zu ermitteln. 1 . A device (120) for determining a state quantity of a cell (100) for converting chemical energy into electrical energy, the cell comprising at least one galvanic element (105) and a housing (110) surrounding the galvanic element, and wherein the device comprising: a force sensor (125, 130) for determining a volume change of the cell to determine the state quantity based on the volume change; and / or a gas pressure sensor (135) for determining a gas internal pressure of the cell in a free space (140) of the cell between the at least one galvanic element and the housing in order to determine the state quantity based on the internal gas pressure.
2. Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 1 , bei der der Kraftsensor (125) an einer dem Freiraum (140) zugewandten Schmalseite (145) des galvanischen Elements (105) angeordnet und ausgebildet ist, um eine auf einer 2. Device (120) according to claim 1, wherein the force sensor (125) on a free space (140) facing narrow side (145) of the galvanic element (105) is arranged and formed to one on a
Volumenänderung des galvanischen Elements basierende Dehnung der Volume change of the galvanic element based elongation of the
Schmalseite zu erfassen. To capture narrow side.
3. Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Kraftsensor (130) an einer an eine Wand des Gehäuses (1 10) oder an ein weiteres 3. Device (120) according to claim 1 or 2, wherein the force sensor (130) on one to a wall of the housing (1 10) or to another
galvanisches Element (105) der Zelle (100) angrenzenden Hauptseite (210) des galvanischen Elements angeordnet und ausgebildet ist, um einen auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements und/oder des weiteren galvanischen Elements basierenden und auf die Hauptseite wirkenden Druck zu erfassen. Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Gasdrucksensor (135) in dem Freiraum (140) der Zelle (100) angeordnet und ausgebildet ist, um einen auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements (105) und/oder einem Komponentenaustritt aus dem galvanischen Element basierenden Gasinnendruck der Zelle zu erfassen. Galvanic element (105) of the cell (100) adjacent the main side (210) of the galvanic element is arranged and adapted to detect a pressure based on a change in volume of the galvanic element and / or the further galvanic element and acting on the main side. Apparatus (120) according to any one of the preceding claims, wherein the gas pressure sensor (135) is disposed in the free space (140) of the cell (100) and adapted to respond to a volume change of the galvanic element (105) and / or a component exit to detect the galvanic element based gas internal pressure of the cell.
Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Zustandsgröße einen Ladezustand und/oder einen Alterungszustand und/oder eine Dichtheit der Zelle (100) repräsentiert. Device (120) according to one of the preceding claims, wherein the state variable represents a state of charge and / or an aging state and / or a tightness of the cell (100).
Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Kraftsensor (125, 130) und/oder der Gasdrucksensor (135) als eine für eine Messwerterfassung funktionalisierte elastische Folie ausgebildet ist. Device (120) according to one of the preceding claims, wherein the force sensor (125, 130) and / or the gas pressure sensor (135) is designed as a functionalized for a data acquisition elastic film.
Zelle (100) zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist. A cell (100) for converting chemical energy into electrical energy, characterized in that the cell comprises a device (120) according to any one of the preceding claims.
Zellenmodul (400) zum Bereitstellen elektrischer Energie, wobei das Zellenmodul die folgenden Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Zellen (100) zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei jede Zelle (100) mindestens ein galvanisches Element (105) und ein das galvanische Element umgebendes Gehäuse (1 10) umfasst, und wobei die Zellen (100) in einer Reihe benachbart zueinander angeordnet sind; ein die Mehrzahl von Zellen (100) umgreifendes Spannelement (410), das ausgebildet ist, um einen gegen einen durch eine Volumenänderung der Zellen (100) verursachten Druck wirkenden Gegendruck bereitzustellen; und mindestens eine Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die zumindest einer der Mehrzahl von Zellen (100) des Zellenmoduls (100) zugeordnet ist. Verfahren (500) zum Ermitteln einer Zustandsgröße einer Zelle (100) zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wobei die Zelle mindestens ein galvanisches Element (105) und ein das galvanische A cell module (400) for providing electrical energy, the cell module comprising: a plurality of cells (100) for converting chemical energy into electrical energy, each cell (100) including at least one galvanic element (105) and one galvanic element Element surrounding housing (1 10), and wherein the cells (100) are arranged in a row adjacent to each other; a tension member (410) embracing the plurality of cells (100) and configured to provide a back pressure against a pressure caused by a volume change of the cells (100); and at least one device (120) according to one of claims 1 to 6 associated with at least one of the plurality of cells (100) of the cell module (100). Method (500) for determining a state quantity of a cell (100) for converting chemical energy into electrical energy, wherein the cell has at least one galvanic element (105) and one galvanic element
Element umgebendes Gehäuse (1 10) umfasst, und wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:  Element surrounding housing (1 10), and wherein the method comprises the following step:
Ermitteln (520) der Zustandsgröße, basierend auf einem eine Determining (520) the state quantity based on a
Volumenänderung der Zelle und/oder einen Gasinnendruck der Zelle repräsentierenden Signal.  Volume change of the cell and / or an internal gas pressure of the cell signal representing.
0. Verfahren (500) gemäß Anspruch 9, mit einem Schritt (510A) eines The method (500) according to claim 9, comprising a step (510A) of a
Bestimmens des die Volumenänderung repräsentierenden Signals durch Erfassung einer Dehnung einer einem zwischen dem mindestens einen galvanischen Element (105) und dem Gehäuse (1 10) befindlichen Freiraum (140) zugewandten Schmalseite (145) des galvanischen Elements und/oder durch Erfassung eines auf einer Volumenänderung des galvanischen Elements basierenden und auf die Hauptseite (210) des galvanischen Elements wirkenden Drucks, und wobei in dem Schritt (520) des Ermitteins ein durch die Zustandsgröße repräsentierter Ladezustand der Zelle (100) bestimmt wird.  Determining the signal representing the volume change by detecting an extension of a narrow side (145) of the galvanic element facing a free space (140) between the at least one galvanic element (105) and the housing (110) and / or by detecting a change in volume of the galvanic element based pressure acting on the main side (210) of the galvanic element, and wherein in step (520) of the determining step a state of charge of the cell (100) represented by the state quantity is determined.
1 . Verfahren gemäß Anspruch 10, mit einem Schritt (51 OB) des Bestimmens des den Gasinnendruck der Zelle (100) repräsentierenden Signals durch Erfassung eines auf der Volumenänderung des galvanischen Elements (105) und/oder einem Komponentenaustritt aus dem galvanischen Element basierenden Gasinnendrucks in dem Freiraum (140) der Zelle, und wobei in dem Schritt (520) des Ermitteins eine durch die Zustandsgröße 1 . The method according to claim 10, further comprising the step of determining the signal representing the internal gas pressure of the cell by detecting a gas internal pressure in the clearance based on the volume change of the galvanic element and / or component leakage from the galvanic element (140) of the cell, and wherein in the step (520) of determining one by the state quantity
repräsentierte Dichtheit der Zelle bestimmt wird.  represented tightness of the cell is determined.
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