WO2019238396A1 - Überwachung von batterien - Google Patents

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WO2019238396A1
WO2019238396A1 PCT/EP2019/063579 EP2019063579W WO2019238396A1 WO 2019238396 A1 WO2019238396 A1 WO 2019238396A1 EP 2019063579 W EP2019063579 W EP 2019063579W WO 2019238396 A1 WO2019238396 A1 WO 2019238396A1
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value
temperature
pressure
cell
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PCT/EP2019/063579
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Jan Philipp Schmidt
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the monitoring of batteries.
  • the invention relates in particular to monitoring a battery cell with regard to a critical condition.
  • the invention is used in particular in the case of lithium-ion cells, but is not restricted to this.
  • the invention can be used in particular in connection with vehicle batteries, in particular high-voltage memories which (also) are used to drive a vehicle, either in combination with an internal combustion engine or as a purely electric drive for the vehicle.
  • the invention is not restricted in this regard either.
  • the inventor of the present invention has recognized that the pressure within a battery cell (strongly) depends on the temperature.
  • the previously defined pressure threshold value critical pressure
  • the threshold value for the critical pressure is set relatively high in order to keep the number of false detections of a critical state (false positives) low. If the threshold value for the critical pressure is set too low, depending on the temperature of the battery cell, this value can also be reached or exceeded under normal operating conditions. Furthermore, the pressure in the cell rises over its lifespan, so that with a fixed threshold that is selected low, this can already lead to incorrect detection.
  • the inventor recognized that a relatively high threshold value for the critical pressure entails the risk that a critical condition will be detected relatively late and possibly too late.
  • a first aspect of the invention relates to a method for monitoring a battery cell, comprising:
  • the inventor has recognized that at least in some types of battery cells there is a connection between a pressure prevailing within the battery cell (in particular gas pressure) and a temperature within the battery cell (in particular in the cell coil or cell stack). According to the invention, this relationship can be used to determine a second value, which corresponds to the temperature within the battery cell, based on the measured first value, which corresponds to the pressure.
  • the second value is determined based on a relationship between the pressure and temperature of the battery cell based on the first value, the relationship between pressure and temperature of the battery cell prevailing while the battery cell is in a normal state.
  • the term "normal state * preferably means a state of the battery cell, in which the battery cell is essentially working properly or can work and / or overloaded and / or is overloaded and / or no or only a very small inhomogeneous heating / Cooling down. While the battery cell is in such a normal state, the relationship between pressure and temperature can be determined, for example, by series of measurements. The inventor has recognized that the relationship between pressure and temperature can be regarded as linear at least over a partial area, so that this relationship can be approximated by a linear function. Such a linear relationship makes it particularly easy to determine the second value based on the first value designed.
  • the invention also provides for the possibility that the relationship between temperature and pressure is not approximated by a linear function, but rather a function that also has quadratic terms or higher-order terms, for example.
  • a linear function but rather a function that also has quadratic terms or higher-order terms, for example.
  • the following description is largely limited to linear relationships, it should be noted that the determination of a non-linear relationship and the subsequent use of such a connection can take place in an analogous manner, but in general then more than two measurements for determining the relationship between pressure and temperature ( Calibration) would be necessary.
  • the relationship between pressure and temperature of the battery cell takes into account the state of charge of the battery cell and / or the service life and / or the state of aging of the battery cell.
  • the service life or the aging condition of the battery cell the inventor recognized that the relationship between pressure and temperature within a battery cell can be viewed as linear, but that this relationship changes over time, that is, over the service life of the battery cell. can change. However, this change is relatively slow (for example compared to a charging and discharging cycle with an average use of a battery cell in an electrically driven vehicle), so that it is generally sufficient to separate the relationship between pressure and temperature, for example at a distance of adapt to several days.
  • the calendar age can be taken into account.
  • an aite state of the battery cell for example based on a usage history.
  • the service life / the aging condition of the battery cell is taken into account in that the or a relationship between pressure and temperature is tracked on the basis of a determined further temperature.
  • the further temperature is not (or at least not only) determined based on the measured pressure.
  • the determined further temperature can then be used to check whether the stored (linear) relationship between pressure and temperature still corresponds to reality. If this is not the case, the connection can be adjusted accordingly, i.e. H.
  • the values for m and / or c can be adjusted accordingly. It is advisable to carry out at least two temperature measurements.
  • the at least one further temperature is preferably determined at a point in time at which it can be expected that the further temperature essentially corresponds to the actual temperature within the battery cell.
  • the inventor has recognized that the use of external temperature sensors (for example at a battery terminal) to determine a temperature in the cell interior can lead to erroneous results, in particular, when the battery cell is being charged or discharged. Nevertheless, the inventor recognized that an external temperature sensor can deliver reliable results at other times. In other words, at such times it is to be expected that a further temperature determined by an external temperature sensor, for example, essentially corresponds to the actual temperature within the battery cell, so that a further temperature determined in this way can be used to track the relationship between pressure and temperature, i.e. for (re) calibration.
  • the inventor found that even after setting a thermal equilibrium (for example after a sufficiently long “cooling phase” after a loading or unloading process) there is a pressure difference for two pressure measurements at the same temperature results, which is due to the state of charge of the battery cell.
  • This pressure difference is comparatively small and can therefore be neglected in principle.
  • the determination of a second value based on the first value according to the invention is even more precise if the pressure difference due to the state of charge of the battery cell is taken into account.
  • the procedure for taking into account the service life of the battery cell can be carried out analogously to the procedure described above, that is to say (re) calibration on the basis of measurements of pressure and temperature at various charge states.
  • the influence of the state of charge of the battery cell on the relationship between pressure and temperature within the battery cell can be determined and stored in the battery cell or an associated control unit.
  • monitoring the battery cell based on the second value includes determining whether the second value equals or exceeds a first threshold value.
  • the second value corresponds to a temperature value
  • this embodiment differs from a conventional measurement of a temperature of the battery cell and subsequent comparison with a threshold value. This becomes particularly clear when the battery cell is heated inhomogeneously. According to the inventor's knowledge, an inhomogeneous heating of the battery cell would often be manifested by a significant pressure increase, which can be detected by a pressure measuring device without significant delay due to the free pressure distribution within the battery cell Battery cells, in particular inhomogeneous heating, only become noticeable after a certain delay in a conventional temperature measurement (in particular a cell-specific temperature measurement). This embodiment of the invention can thus enable the battery cell to be monitored in a timely manner.
  • the gas pressure can increase due to the gas-forming decomposition of additives or the electrolyte or even the electrode (s) of the battery cell.
  • very strong (local) heating for example at temperatures above 80 ° C, the gas pressure could rise due to decomposition and regeneration reactions of the SEI (Solid Electrolyte Interphase) at the anode.
  • the second value corresponds in principle to a temperature value, but that (this temperature value does not necessarily have to correspond to an actual temperature of the battery cell. knowingly as the virtual temperature value of the battery cell.
  • the method further comprises measuring a third value, which corresponds to a temperature in or on the battery cell.
  • Such a temperature measurement can be used as a control measurement, as described below.
  • the first value and the third value are determined by two essentially independent measurements.
  • the third value is not only derived from the first value in a computational manner. Nevertheless, the two measurements can be carried out by a combined measuring device, such as. B. a MEMS gas pressure sensor, which can measure both pressures and temperatures.
  • monitoring the battery cell based on the second value includes monitoring the battery cell based on a difference between the second value and the third value.
  • Such a difference can indicate, for example, a previously mentioned inhomogeneous heating of the battery cell or another problem. ever the greater the difference, the more likely it is that there is inhomogeneous heating or another problem.
  • the monitoring of the battery cell comprises determining whether the difference or the amount of the difference equals or exceeds a second threshold value.
  • the second threshold (as well as the first threshold) can be predetermined, the use of such a fixed first or second threshold differs from the aforementioned use of a fixed critical pressure threshold according to the prior art, because the value, which is compared with the first or second threshold value, not only corresponds to the pressure, but can also take other factors into account (state of charge, service life, etc.).
  • the state of the battery cell is considered to be associated, and in particular the state of the battery cell is assigned:
  • a first category if the second value is less than the first threshold value and a second category if the second value equals or exceeds the first threshold value, or
  • the first category if the difference or its amount between the second value and the third value is smaller than the second threshold value, and the second category if this difference or its amount equals or exceeds the second threshold value, or
  • the first category if both the second value is less than the first threshold value and the difference or the amount between the second value and the third value is less than the second threshold value, and otherwise the second category.
  • This version therefore offers three options for classifying the state of the battery cell in two categories.
  • classification is based only on the temperature value derived from the measured pressure.
  • the classification takes place only on the basis of the difference between the temperature value derived from the pressure and the measured temperature value.
  • the third variant combines, so to speak, the first two variants, the Classification into the first category only takes place if both the second value and the difference or their amount is smaller than the first or the second threshold value.
  • the first category is a substantially or sufficiently fault-free state of the battery cell and the second category is a faulty, in particular problematic, in particular critical state of the battery cell.
  • This embodiment thus makes it possible to detect a faulty, in particular problematic, in particular critical state of the battery cell on the basis of the previously mentioned variants.
  • a signal in particular a warning signal, is output and / or an action is carried out if the state of the battery cell is considered to belong to the second category, in particular if it is assigned, the action preferably comprising at least one of the following steps:
  • a signal can thus be output, which, for example, can serve as a warning signal to an operator of the battery cell, so that measures can be initiated if necessary to counteract the detected faulty, in particular problematic, in particular critical, condition of the battery cell.
  • measures can be initiated if necessary to counteract the detected faulty, in particular problematic, in particular critical, condition of the battery cell.
  • an action can also (automatically) be carried out to (automatically) counteract the recognized problem etc.
  • a second aspect of the invention relates to a sensor arrangement for monitoring a battery cell, comprising:
  • a third aspect of the invention relates to a battery cell, comprising a sensor arrangement described above.
  • a fourth aspect of the invention relates to a vehicle having a battery cell described above.
  • Hg. 2 a relationship between pressure and temperature within a battery cell
  • Hg. 3 the relationship between pressure and temperature and additionally the service life of a battery cell
  • FIG. 5 shows an enlarged partial section of the lower part of FIG. 4,
  • FIG. 9 shows a time profile of a voltage and a current (upper part of the figure) and a pressure and a temperature (lower part of the figure) during a charging process of a battery cell
  • FIG. 10 shows a flowchart with method steps of a method according to the invention
  • FIG. 11 shows a further flow diagram with method steps of a method according to the invention.
  • Hg.1 shows in simplified form the structure of a battery cell 1 with a sensor arrangement according to an exemplary embodiment.
  • the battery cell 1 has a housing 2 in which a cell coil 4 or cell stack 4 is located.
  • a gas space 5 which surrounds the cell coil 4 or cell stack 4.
  • the cell coil 4 or cell stack 4 has an inner negative terminal 6 and an inner positive terminal. nal 9 on. These are connected in a manner known per se by electrical lines 7 and 10 to (external) negative and positive terminals 8, 11.
  • a gas pressure sensor 12 is integrated in the housing 2. In principle, this gas pressure sensor 12 could be arranged anywhere in or on the battery cell 1, as long as it can measure the pressure that prevails within the battery cell 1.
  • the gas pressure sensor 12 which, as shown in FIG. 1, is integrated in the housing 2, can measure a first value that corresponds to a pressure that prevails within the battery cell (ie also in the cell coil or cell stack 4).
  • the gas pressure sensor it is recommended to arrange the gas pressure sensor outside the cell coil or cell stack 4, for example in a cover of the battery housing (upper part of the housing 2).
  • the gas pressure sensor 12 is connected to a processor 13 or the like, which can evaluate and / or store and / or process and / or forward the measurement results.
  • the processor 13 could alternatively also be integrated in the gas pressure sensor 12.
  • the (in particular linear) relationship between the pressure that exists inside the battery cell and the temperature of the battery cell is stored in the processor 13.
  • a suitable temperature sensor can be arranged in the battery cell, for example, during the development of the battery cell.
  • Such a temperature sensor (not shown) can, for example, be arranged in the cell coil or cell stack 4 in order to measure the actual temperature in the cell coil or cell stack 4 as precisely as possible.
  • two pairs of pressure and temperature are sufficient to determine a linear relationship between pressure and temperature within the battery cell. The measurement pairs are expediently determined while the battery cell is in a normal state.
  • first value the pressure measured by the pressure measuring device 12 to determine a second value that corresponds to the temperature within the battery cell 1.
  • the temperature can then be determined from the measured pressure in accordance with the equation mentioned above.
  • a temperature measurement in the cell coil or cell stack 4 is therefore not necessary. Accordingly, it is also not necessary to provide a temperature sensor, for example in the cell coil or cell stack 4.
  • a temperature sensor in the cell coil or cell stack 4 for determining the relationship between pressure and temperature: According to preferred embodiments, it is provided to arrange a temperature sensor in the cell coil or cell stack 4 at most during the development of a battery type, for example in a prototype. This is used to determine the relationship between pressure and temperature within a battery cell of this type. Further battery cells of this type (in particular battery cells that are intended for sale to customers) would not have a temperature sensor in the cell coil or cell stack 4. This is not necessary because the relationship between pressure and temperature has already been determined.
  • FIG. 1 Further details shown in FIG. 1 are explained in the further course of the description.
  • Hg. 2 shows the relationship between pressure and temperature within a battery cell for two types of battery cells. Actually measured pressure and temperature values are represented by diamonds for one type of battery cell and by small circles for the other type of battery cell. It can be seen that the measured values each have a linear relationship for a battery cell type. Methods known per se can be used to adapt straight lines 20 and 21 to the measured values for each of the two types of battery cells. The deviation of individual measured values from the straight line is relatively small. The values for m and c of the above equation can be determined from the straight lines.
  • Hg. 3 shows a corresponding (linear) relationship between pressure and temperature for a battery cell, whereby two series of measurements were carried out at intervals of several weeks - each characterized by different ne symbols (circles and triangles).
  • the inventor has determined that the service life of the battery (calendar age and / or aging status based on a usage history) has an effect on this relationship, ie the values for m and / or c change due to the life of the battery cell. Without further measures, this would mean that the temperature of the battery cell cannot (reliably) be determined from the measured pressure. To counteract this, embodiments of the invention provide that the service life of the battery cell is taken into account.
  • the processor 13 can be stored in the processor 13, for example, how the service life of the battery cell affects the relationship between pressure and temperature (for example determined by means of series of measurements), so that the relationship between pressure and temperature stored in the processor 13 can be adapted accordingly.
  • the measurement of the pressure would then further enable the temperature to be determined from the measured pressure (with sufficient reliability).
  • the relationship between pressure and temperature can also be adjusted by (directly) measuring a further temperature.
  • exemplary embodiments of the invention provide that one or more temperature measurements are carried out from time to time (for example at intervals of hours, days or weeks). Such a temperature measurement would preferably take place essentially independently of, but simultaneously with, a pressure measurement by the pressure measuring device 12.
  • On the basis of these measured temperature and pressure values it can be checked whether the stored relationship between pressure and temperature (for example the values for m and c in the above-mentioned equation) is still correct or corresponds to reality. If necessary, the relationship between pressure and temperature can then be updated on the basis of the measured temperature and pressure values. The updating of the relationship between pressure and temperature can be made more reliable according to exemplary embodiments of the invention if at least two pairs of temperature and pressure values are measured.
  • the temperature can be measured at all points in or on the battery cell. Although it was mentioned at the beginning that temperature measurements outside the cell coil or cell stack 4, in particular outside the housing 2, the inventor has recognized that this can only deliver incorrect results if the battery cell is under load or is being charged or discharged or is actively cooled or heated, in particular with high cooling or heating rates. The inventor has recognized that, in such operating conditions, the time course of the heating of the cell coil or cell stack runs differently than, for example, at a battery cell terminal, so that the measurement of a temperature at a terminal lags behind or leads the temperature inside the battery cell, for example , Nevertheless, the inventor has found that after a sufficiently long cooling phase after such an operating state, the temperature in and on the battery cell compensates.
  • a temperature measurement for example at a battery cell terminal, for the purpose of re-calibrating the relationship between pressure and temperature, but only if such a measurement is to be expected to provide correct results.
  • a temperature measurement is only carried out if the battery cell has not been used for a predetermined or predeterminable time period (for example several minutes, several ten minutes, one hour or several hours) or at most with one predefined or predeterminable maximum charging or discharging current was operated.
  • FIG. 1 it was indicated at three different places where a temperature measurement could be carried out in or on the battery cell 1.
  • a temperature sensor 16 is arranged on the negative terminal 8 and connected to the processor 13 (shown in dashed lines).
  • a temperature sensor 17 could be arranged in the gas space 5 and also connected to the processor 13 (again shown in dashed lines).
  • a temperature sensor 15 is integrated in the pressure measuring device 12.
  • the pressure measuring device 12 could, for example, have a MEMS gas pressure sensor which is suitable both for measuring a pressure and for measuring a temperature (represented by separate (partial) sensors
  • the temperature is not only derived from the measured pressure (in accordance with the linear relationship described above), but is also determined separately - so that the independently measured pressure and temperature can be used to check the relationship between pressure and temperature and to update it if necessary.
  • the state of charge of the battery cell can also be taken into account. This is described with reference to Figures 4 to 6.
  • FIG. 4 shows the temporal course of current (dashed line 40) and voltage (solid line 41) during a discharge process of the battery cell 1.
  • FIG. 4 shows the course of the measured pressure (solid lines 42 and 43), the (measured) temperature T int in the cell coil or cell stack 4 (dashed line 44) and the (measured) temperature at the negative terminal 8 (dotted line 45).
  • the curves 44 and 45 differ (clearly) during the unloading process and for some time afterwards, but that they run largely the same before the unloading process and clearly after the unloading process.
  • 5 illustrates this relationship in an enlarged representation.
  • 5 again shows the measured temperature in the cell coil or cell stack 4 (dash-dot line 54) and the temperature at the negative terminal 8 (solid line 55). 5, however, the measured pressure is not shown, but two temperature curves which were determined from the measured pressure using the equation mentioned above.
  • curve 57 shows a further curve 57 (dashed line with a greater distance). This curve corresponds to curve 56, but is shifted upwards, ie the relationship between the measured pressure and the temperature derived therefrom has been calibrated so that the temperature derived from the measured pressure in the discharged state of the battery cell is good with the actual temperature T int (curve 54) in the interior of the battery cell matches (right edge of FIG. 5). However, one can then again see a deviation between curves 57 and 54 on the left edge of FIG. 5 (fully charged state of the battery cell).
  • the previously described deviations between curve 56 and curve 54 or between curve 57 and curve 54 can be neglected because the deviations in the example shown are only a few degrees. In other exemplary embodiments, these deviations are taken into account, so that the temperature derived from the measured pressure adapts even better to the actual temperature in the cell coil or cell stack 4, in particular over all charge states. The same procedure can be followed as for the battery cell life described above.
  • the state of charge of the battery is taken into account, for example by using series of measurements during the development of the battery cell to investigate how the relationship between pressure and temperature within the battery cell depends on the state of charge.
  • Information obtained from this can be stored in the processor 13, for example in the form of a correction term which is dependent on the state of charge, for example in that the value c in the above-mentioned equation is not a constant but depends on the state of charge SOG of the battery cell.
  • the pressure and the temperature of the battery cell are used when the battery cell is used as intended. different charge levels measured.
  • the temperature can in turn be measured at different locations in or on the battery cell, for example by means of a temperature sensor 16 on the negative terminal 8 or by means of a temperature sensor 17 in the gas space 5.
  • Hg. 6 shows three temperature curves in comparison for the discharge process shown in the upper part of FIG. 4.
  • the solid line 65 represents the temperature measured at the negative terminal 8. This corresponds to the line 55 from FIG. 5.
  • the dash-dot line 64 in FIG. 6 shows the measured internal temperature T int in the cell coil or cell stack 4 , Line 64 corresponds to line 54 from FIG. 5.
  • Line 68 represents the temperature T (p) derived from the measured pressure, taking into account the state of charge of the battery , ie the temperature calculated using the equation mentioned above with a correction term c (SOC) which is dependent on the state of charge.
  • the correction term c (SOC) was previously determined as described above.
  • the remaining deviation between the temperature derived from the pressure (curve 68) and the temperature in the cell coil or cell stack T int ( Curve 64) very low across all charge states of the battery cell.
  • the deviation of curve 68 from curve 64 is smaller over most areas than the deviation of curve 65 from curve 64.
  • a relationship between a pressure p that prevails in the battery cell 1 and a temperature T of the battery cell can ultimately be determined and stored, for example, in the processor 13, with the aid of this relationship a temperature T (p) of the battery cell can be determined from the measured pressure p.
  • this relationship can take into account the state of charge and / or the service life / aging state of the battery cell.
  • the stored relationship can then be used to monitor the battery cell, ie based on T (p), as will be described below.
  • errors / problems Z critical states of the battery cell 1 can be detected in this way.
  • the inventor heated a battery cell 1 on a hotplate in an experiment.
  • the battery cell was placed on the hotplate in such a way that it was heated on one side.
  • Such one-sided heating has simulated a scenario which, in a similar way, can certainly occur when a battery cell is used as intended in the form of a hotspot (strong local heating of the cell).
  • FIG. 7 shows a temperature profile of the battery cell over time for this experiment.
  • the actual temperature of the battery cell was measured at two different points: curve 71 shows the profile of the measured temperature T int in the cell wrap or cell stack 4.
  • Curve 72 shows the profile of the measured temperature T term at the negative terminal 8 of the battery cell 1.
  • a horizontal line (60 ° C) is also entered in Fig. 7. This represents a selected critical temperature T crit , which the battery cell 1 should not exceed in normal use.
  • a curve 70 can also be seen in FIG. 7. This is not a measured temperature, but shows the time course of a temperature T (p) derived from the measured pressure.
  • the critical temperature of 60 "C can be used to detect a critical condition, for example to increase cooling of the battery cell, to initiate emergency cooling or to open a pressure relief valve on the battery cell. If this is the case at the terminal If the measured temperature 72 were used, the critical state would only be reached at a point in time of t - 500 seconds Using the temperature 71 in the cell coil or cell stack, the critical state would be reached at a point in time t »410 seconds the local temperature at the hotspot (not shown) would already be significantly higher than the critical temperature, so that at least in the area of the hotspot the battery cell 1 would have been (permanently) damaged or countermeasures such as increasing the cooling or emergency cooling would no longer be could be initiated in time.
  • the temperature T (p), curve 70, derived from the pressure rises significantly faster than the other two temperatures shown. According to the invention, this can be attributed to the fact that the pressure inside the battery cell rises significantly faster as a result of the local heating at the hotspot than a measured temperature in the cell coil or cell stack 4, gas space 5 or at a battery terminal would do.
  • a certain temperature eg from approx. 80 ° C
  • Hg. 8 shows a time course with respect to the experiment described above.
  • the upper part shows two curves 81 and 82.
  • Curve 81 represents the difference between the temperature T (p) determined from the pressure and the measured temperature T int in the cell coil or cell stack 4.
  • curve 81 corresponds to the difference between the Curves 70 and 71 from FIG. 7, ie T (p) - T int .
  • curve 82 represents the difference between the temperature T (p) derived from the measured pressure and the measured temperature at the negative terminal 8, that is to say the difference between the curves 70 and 72 from FIG. 7, T (p ) - T term .
  • T #, 20 K.
  • the use of such a difference enables a critical condition to be detected even earlier than the use of the temperature T (p), curve 70, derived from the pressure, without the formation of a difference.
  • FIG. 8 again shows curves 71 and 72 from FIG. 7 (on a different scale in the vertical direction) for comparison.
  • the points in time at which the critical state is reached on the basis of curves 71 and 72 are, for comparison, also identified in the upper part of FIG. 8 by a circle and a square at approximately 410 seconds and 500 seconds, ie at a significantly later point in time than that Time at which curve 82 exceeds the temperature threshold T * of 20 K.
  • FIG. 9 shows a time course of a voltage (dashed line 90) and a current (solid line 91) in the upper part of the figure and a pressure (dashed line 92) and a temperature (solid line 93) in the lower part of the figure during a charging process of a battery cell, which is similar in principle to the battery cell 1 according to the invention, but which does not have the monitoring function according to the invention.
  • the charging process was deliberately designed to overcharge the battery cell.
  • FIG. 1 shows a battery cell 1 with a sensor arrangement.
  • a sensor arrangement according to the invention is not shown separately.
  • such a sensor arrangement would in particular have the pressure measuring device 12 and the processor 13, possibly also a temperature sensor, such as, for. B. the separate temperature sensors 16 and / or 17, and / or the temperature sensor 15 integrated in the pressure measuring device 12.
  • the sensor arrangement can, for example, be provided separately for later installation or attachment in or on a battery cell 1.
  • the processor 13 is set up in such a way that it can not only determine the temperature T (p) from the measured pressure, but also the previously mentioned difference DT (or its amount
  • step 10 shows a flow chart with method steps of a method according to the invention.
  • the pressure prevailing within the battery cell 1 is measured in a step 101.
  • the temperature T (p) within the battery cell is determined in a step 102, for example using the equation given above. It is assumed here that the relationship between pressure and temperature inside the battery cell 1 has already been determined, so that the temperature can be calculated from the pressure. If necessary, the lifespan / the state of aging and the state of charge of the battery cell would also be taken into account (not shown as separate process steps).
  • the battery cell is then monitored in a step 103 based on the determined temperature T (p), in particular with regard to reaching a faulty, problematic or critical state. In principle, the method then ends (step 104), whereby it but can of course be repeated in order to enable the battery cell 1 to be continuously monitored.
  • FIG. 11 shows a further flowchart with method steps of a method according to the invention. This can be viewed as a further development or as a more detailed illustration of the process sequence in FIG. 10.
  • the cell pressure p is measured in a step 111, for example by the pressure measuring device 12.
  • a temperature T (p) is calculated in step 112, for example by the processor 13, where appropriate also here the state of charge, SOG, and / or the service life / aging state of the battery cell is taken into account.
  • the temperature T (p) determined in this way is compared with a critical temperature value T crit .
  • a temperature of the battery cell is measured in a step 114, for example in the cell coil or cell stack 4, in the gas space 5 or at a battery terminal.
  • a temperature difference DT is then formed in a step 115, namely from the temperature T (p) derived from the measured pressure and the temperature T measured in step 114. Then in step 116 the temperature difference (or an amount of the temperature difference) is determined ) compared with a temperature threshold value T *.
  • an OR operation is performed in step 117 and an AND operation in step 119. If the comparison in step 113 shows that the temperature T (p) is greater than or equal to a critical temperature value T crit , OR if the comparison in step 116 shows that the difference DT (or its amount) is greater than or equal to a temperature -Threshold value T t , the OR operation in step 117 leads to the battery cell 1 being switched off in a subsequent step 118. Alternatively, other actions (warning signal, pressure release, etc.) would also be possible in step 118.
  • the AND operation in step 119 leads to the condition the battery cell is regarded as normal in a step 120 or is evaluated as normal by the processor 13.
  • the method can end with steps 118 or 120, although it can of course be repeated to enable the battery cell 1 to be continuously monitored.
  • the AND and OR operations could also be interchanged in order to reduce the probability of an incorrect detection.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle, aufweisend: - Messen eines ersten Wertes, der einem Druck entspricht, der innerhalb der Batteriezelle herrscht; - Ermitteln eines zweiten Wertes basierend auf dem ersten Wert, wobei der zweite Wert einer Temperatur der Batteriezelle entspricht; und - Überwachen der Batteriezelle basierend auf dem zweiten Wert. Es kann festgestellt werden, ob sich die Batteriezelle in einem fehlerfreien oder in einem fehlerbehafteten, insbesondere problematischen, insbesondere kritischen Zustand befindet. Eine Sensoranordnung, eine Batteriezelle mit einer solchen Sensoranordnung und ein Fahrzeug mit einer solchen Batteriezelle werden auch offenbart.

Description

ÜBERWACHUNG VON BATTERIEN
Die vorliegende Erfindung betrifft die Überwachung von Batterien. Die Erfindung betrifft insbesondere das Übenwachen einer Batteriezelle hinsichtlich eines kriti- sehen Zustands. Die Erfindung findet insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen An- wendung, ist aber nicht hierauf beschränkt. Die Erfindung kann insbesondere im Zusammenhang mit Fahrzeugbatterien benutzt werden, insbesondere Hochvolt- speicher, die (auch) für den Antrieb eines Fahrzeugs benutzt werden, entweder in Kombinatton mit einem Verbrennungsmotor oder als rein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs. Die Erfindung ist aber auch in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass über einen (Gas-)Drucksensor das Überladen von Batteriezellen detektiert werden kann. Beispiele hierfür sind US6437542B1 , US2006/0246345A1 , DE102013113909A1 , DE102010046307A1 und DE102012223708A1. Bei diesen bekannten Ansätzen wird ermittelt, ob der Druck der Batteriezelle einen zuvor festgelegten Wert überschreitet.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass der Druck innerhalb einer Batteriezelle (stark) von der Temperatur abhängt. In diesem Zusammenhang hat der Erfinder erkannt, dass nach Ansätzen im Stand der Technik der zuvor festgelegte Druck-Schwellenwert (kritischer Druck) relativ hoch angesetzt wird, um die Anzahl von Fehldetektionen eines kritischen Zustands (false positives) gering zu halten. Wird nämlich der Schwellenwert für den kritischen Druck zu niedrig angesetzt, kann dieser Wert je nach Temperatur der Batteriezelle auch bei normalen Betriebszu- ständen erreicht oder überschritten werden. Weiterhin steigt der Druck in der Zelle über Lebensdauer an, so dass bei einer niedrig gewählten festen Schwelle bereits dies zu einer Fehldetektion führen kann. Andererseits hat der Erfinder erkannt, dass ein relativ hoch angesetzter Schwellenwert für den kritischen Druck die Gefahr mit sich bringt, dass ein kritischer Zustand relativ spät und gegebenenfalls zu spät de- tektiert wird.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Alternative für die Überwachung von Batteriezellen bereitzustellen bzw. die Überwachung von Batte- riezellen zu verbessern. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Ge- genstand der Unteransprüche. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Batte- riezelle, aufweisend:
Messen eines ersten Wertes, der einem Druck entspricht, der innerhalb der Batteriezelle herrscht;
Ermitteln eines zweiten Wertes basierend auf dem ersten Wert, wobei der zweite Wert einer Temperatur der Batteriezelle entspricht; und
Übenwachen der Batteriezelle basierend auf dem zweiten Wert.
Der Erfinder hat erkannt, dass zumindest bei manchen Arten von Batteriezellen ein Zusammenhang zwischen einem innerhalb der Batteriezelle herrschenden Druck (insbesondere Gasdruck) und einer Temperatur innerhalb der Batteriezelle (insbe- sondere im Zellwickel oder Zellstapel) besteht. Dieser Zusammenhang kann erfin- dungsgemäß dazu benutzt werden, einen zweiten Wert, der der Temperatur inner- halb der Batteriezelle entspricht, basierend auf dem gemessenen ersten Wert, der dem Druck entspricht, zu ermitteln.
Nach einer Ausführung wird der zweite Wert anhand eines Zusammenhangs zwi- schen Druck und Temperatur der Batteriezelle basierend auf dem ersten Wert ermit- telt, wobei der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur der Batteriezelle herrscht, während sich die Batteriezelle in einem Normalzustand befindet.
Gemäß dieser Ausführung ist unter dem Begriff „Normalzustand* vorzugsweise ein Zustand der Batteriezelle zu verstehen, in dem die Batteriezelle im Wesentlichen fehlerfrei arbeitet oder arbeiten kann und/oder nicht überlastet und/oder überladen ist und/oder keine oder nur eine sehr geringe inhomogene Erwärmung/Abkühlung erfährt. Während sich die Batteriezelle in einem solchen Normalzustand befindet, kann der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur beispielsweise durch Messreihen ermittelt werden. Dabei hat der Erfinder erkannt, dass der Zusammen- hang zwischen Druck und Temperatur zumindest über einen Teilbereich als linear angesehen werden kann, so dass dieser Zusammenhang durch eine lineare Funkti- on angenähert werden kann. Durch einen solchen linearen Zusammenhang wird das Ermitteln des zweiten Wertes basierend auf dem ersten Wert besonders einfach gestaltet. Ebenso einfach gestaltet sich das Ermitteln des Zusammenhangs, der beispielsweise in der Batterie oder zugehörigen Steuergeräten abgespeichert wer- den kann, damit (fieser Zusammenhang zum Ermitteln des zweiten Wertes basie- rend auf dem ersten Wert benutzt werden kann. Es würde beispielsweise ausrei- chen, zwei verschiedene Paare von Drücken und zugehörigen Temperaturen zu messen, um daraus den linearen Zusammenhang zwischen Druck (p) und Tempe- ratur (T) zu ermitteln. Mathematisch lässt sich dieser Zusammenhang als T = m · p + c ausdrücken, wobei die Werte für m und c durch die zwei zuvor genannten Mes- sungen ermittelt werden können.
Gleichwohl sieht die Erfindung auch die Möglichkeit vor, dass der Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck nicht durch eine lineare Funktion angenähert wird, sondern eine Funktion, die auch beispielsweise quadratische Terme oder Terme höherer Ordnung aufweist. Obwohl sich die folgende Beschreibung weitgehend auf lineare Zusammenhänge beschränkt, ist anzumerken, dass die Ermittlung eines nichtlinearen Zusammenhangs und die anschließende Verwendung eines solchen in analoger Weise erfolgen kann, wobei dann aber im Allgemeinen mehr als zwei Messungen zum Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur (Kalibrierung) nötig wären.
Nach einer Ausführung berücksichtigt der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur der Batteriezelle den Ladungszustand der Batteriezelle und/oder die Lebensdauer und/oder den Alterungszustand der Batteriezelle. Hinsichtlich der Lebensdauer bzw. des Alterungszustands der Batteriezelle hat der Erfinder erkannt, dass der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur inner- halb einer Batteriezelle zwar als linear angesehen werden kann, dass sich dieser Zusammenhang aber im Lauf der Zeit, also über die Lebensdauer der Batteriezelle, verändern kann. Diese Veränderung ist aber relativ langsam (beispielsweise im Vergleich zu einem Lade- und Entiadezyklus bei einer durchschnittlichen Benutzung einer Batteriezelle in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug), so dass es im All- gemeinen ausreichend ist, den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur beispielsweise in einem Abstand von mehreren Tagen anzupassen. Um die Lebensdauer der Batteriezelle zu berücksichtigen, kann beispielsweise das kalendarische Alter berücksichtigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Aite- rungszustand der Batteriezelle, beispielsweise basierend auf einer Benutzungs- Historie, berücksichtigt werden.
Nach einer Ausführung wird die Lebensdauer / der Alterungszustand der Batterie- zelle dadurch berücksichtigt, dass der oder ein Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur anhand einer ermittelten weiteren Temperatur nachgeführt wird.
Dabei wird die weitere Temperatur nicht (oder zumindest nicht nur) basierend auf dem gemessenen Druck ermittelt. Die ermittelte weitere Temperatur kann dann da- zu verwendet werden zu überprüfen, ob der hinterlegte (lineare) Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur noch der Realität entspricht. Ist dies nicht der Fall, kann der Zusammenhang entsprechend nachgeführt werden, d. h. bei der Benut- zung der oben erwähnten linearen Funktion können die Werte für m und/oder c ent- sprechend angepasst werden. Hierbei empfiehlt es sich, wiederum mindestens zwei Temperaturmessungen durchzuführen.
Die mindestens eine weitere Temperatur wird vorzugsweise zu einem Zeitpunkt ermittelt, zu dem zu erwarten ist, dass die weitere Temperatur im Wesentlichen der tatsächlichen Temperatur innerhalb der Batteriezelle entspricht.
Der Erfinder hat erkannt, dass die Benutzung von externen Temperatursensoren (beispielsweise an einem Batterieterminal) zur Ermittlung einer Temperatur im Zell· inneren insbesondere dann zu fehlerhaften Ergebnissen führen kann, wenn die Bat- teriezelle be- oder entladen wird. Gleichwohl hat der Erfinder erkannt, dass zu ande- ren Zeitpunkten ein externer Temperatursensor durchaus zuverlässige Ergebnisse liefern kann. Mit anderen Worten, zu solchen Zeitpunkten ist zu erwarten, dass eine durch einen beispielsweise externen Temperatursensor ermittelte weitere Tempera- tur im Wesentlichen der tatsächlichen Temperatur innerhalb der Batteriezelle ent- spricht, so dass sich eine so ermittelte weitere Temperatur durchaus zum Nachfüh- ren des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur, also zur (Re- )Kalibrierung, eignen kann.
Hinsichtlich des Ladungszustands der Batteriezelle hat der Erfinder festgestellt, dass sich selbst nach Einstellen eines thermischen Gleichgewichts (also beispiels- weise nach einer ausreichend langen„Abkühlphase“ nach einem Be- oder Entlade- vorgang) für zwei Druckmessungen bei gleicher Temperatur ein Druckunterschied ergibt, der eben auf den Ladezustand der Batteriezelle zurückzuführen ist. Dieser Druckunterschied ist zwar vergleichsweise gering und kann somit im Prinzip ver- nachlässigt werden. Andererseits ist das erfindungsgemäße Ermitteln eines zweiten Wertes basierend auf dem ersten Wert noch genauer, wenn der Druckunterschied aufgrund des Ladungszustands der Batteriezelle berücksichtigt wird. Um den La- dungszustand zu berücksichtigen, kann analog zu der oben beschriebenen Vorge- hensweise zum Berücksichtigen der Lebensdauer der Batteriezelle verfahren wer- den, also (Re-)Kalibrierung aufgrund von Messungen von Druck und Temperatur bei verschiedenen Ladungszuständen. Ebenso kann beispielsweise während der Ent- Wicklung der Batteriezelle der Einfluss des Ladungszustands der Batteriezelle auf den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb der Batteriezelle ermittelt werden und in der Batteriezelle oder einem zugehörigem Steuergerät hin- terlegt werden.
Nach einer Ausführung weist das Überwachen der Batteriezelle basierend auf dem zweiten Wert ein Ermitteln auf, ob der zweite Wert einem ersten Schwellenwert gleicht oder diesen übersteigt.
Obwohl der zweite Wert einem Temperaturwert entspricht, unterscheidet sich diese Ausführung von einem herkömmlichen Messen einer Temperatur der Batteriezelle und anschließendem Vergleich mit einem Schwellenwert. Dies wird insbesondere bei einer inhomogenen Erwärmung der Batteriezelle deutlich. Eine inhomogene Er- wärmung der Batteriezelle würde sich nach Erkenntnis des Erfinders oft durch einen deutlichen Druckanstieg manifestieren, der sich aufgrund der freien Druckverteilung innerhalb der Batteriezelle ohne wesentliche Verzögerung durch ein Druckmessge- rät delektieren lässt Dagegen würde nach Erkenntnis des Erfinders eine Erwär- mung der Batteriezelle, insbesondere eine inhomogene Erwärmung, sich bei einer herkömmlichen Temperaturmessung (insbesondere einer zellextemen Temperatur- messung) erst nach einer gewissen Verzögerung bemerkbar machen. Diese Aus- führung der Erfindung kann also ein zeitnaheres Überwachen der Batteriezelle er- möglichen.
Gegebenenfalls können in einem fehlerbehafteten oder problematischen oder kriti- schen Zustand der Batteriezelle anstatt oder zusätzlich zu einer inhomogenen Er- wärmung Z Überhitzung weitere Effekte auftreten. Solche Effekte können auch zu einer Gasfreisetzung führen, so dass der Gasdruck nicht nur von einer Temperatur der Batteriezelle abhängt. Bei einem Überladen kann beispielsweise durch die gas- bildende Zersetzung von Additiven oder dem Elektrolyten oder sogar der Elektro- de(n) der Batteriezelle der Gasdruck ansteigen. Bei sehr starker (lokaler) Erwär- mung, bei der beispielsweise Temperaturen Ober 80 °C entstehen, könnte der Gas- druck aufgrund von Zersetzungs- und Neubildungsreaktionen der SEI (Solid Electro- lyte Interphase) an der Anode ansteigen. Diese Beiträge zum Druckanstieg führen dann zu einem schnelleren Anstieg des abgeleiteten zweiten Wertes und damit auch zu einem früheren Erreichen des ersten Schwellenwertes. In Anbetracht der soeben beschriebenen Effekte erkennt man, dass der zweite (von dem gemessenen Druck abgeleitete) Wert zwar im Prinzip einem Temperaturwert entspricht, dass (fieser Temperaturwert aber nicht unbedingt einer tatsächlichen Temperatur der Batteriezelle gleichen muss. Man könnte den zweiten Wert in ge- wisser Weise als virtuellen Temperaturwert der Batteriezelle ansehen.
Nach einer Ausführung weist das Verfahren ferner ein Messen eines dritten Wertes, der einer Temperatur in oder an der Batteriezelle entspricht, auf.
Eine solche Temperaturmessung kann als Kontrollmessung benutzt werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
Nach einer Ausführung werden der erste Wert und der dritte Wert durch zwei im Wesentlichen voneinander unabhängige Messungen ermittelt.
Dabei ist vorzugsweise gemeint, dass der dritte Wert nicht lediglich von dem ersten Wert auf rechnerische Weise abgeleitet wird. Gleichwohl können die beiden Mes- sungen durch ein kombiniertes Messgerät, wie z. B. einen MEMS-Gasdrucksensor, durchgeführt werden, das sowohl Drücke als auch Temperaturen messen kann. Nach einer Ausführung weist das Überwachen der Batteriezelle basierend auf dem zweiten Wert ein Überwachen der Batteriezelle basierend auf einer Differenz zwi- schen dem zweiten Wert und dem dritten Wert auf.
Eine solche Differenz kann einen Hinweis beispielsweise auf eine zuvor erwähnte inhomogene Erwärmung der Batteriezelle oder ein sonstiges Problem darstellen. Je größer die Differenz, desto wahrscheinlicher ist es, dass eine inhomogene Erwär- mung oder ein sonstiges Problem vorliegt.
Entsprechend weist nach einer Weiterbildung das Überwachen der Batteriezelle basierend auf der Differenz zwischen dem zweiten Wert und dem dritten Wert ein Ermitteln auf, ob die Differenz oder der Betrag der Differenz einem zweiten Schwel- lenwert gleicht oder diesen übersteigt.
Obwohl der zweite Schwellenwert (wie auch der erste Schwellenwert) Im Voraus festgelegt sein kann, unterscheidet sich die Benutzung eines solchen festgelegten ersten oder zweiten Schwellenwerts von der eingangs erwähnten Benutzung eines festen Schwellenwerts für einen kritischen Druck gemäß dem Stand der Technik, weil der Wert, der mit dem ersten oder zweiten Schwellenwert verglichen wird, nicht lediglich dem Druck entspricht, sondern auch andere Faktoren berücksichtigen kann (Ladungszustand, Lebensdauer usw.).
Nach einer Ausführung wird der Zustand der Batteriezelle als zugehörig angesehen, und insbesondere wird der Zustand der Batteriezelle zugeteilt:
einer ersten Kategorie, wenn der zweite Wert kleiner als der erste Schwellen- wert ist, und einer zweiten Kategorie, wenn der zweite Wert dem ersten Schwellen- wert gleicht oder diesen übersteigt, oder
der ersten Kategorie, wenn die Differenz oder deren Betrag zwischen dem zweiten Wert und dem dritten Wert kleiner als der zweite Schwellenwert ist, und der zweiten Kategorie, wenn diese Differenz oder deren Betrag dem zweiten Schwel- lenwert gleicht oder diesen übersteigt, oder
der ersten Kategorie, wenn sowohl der zweite Wert kleiner als der erste Schwellenwert ist, als auch die Differenz oder deren Betrag zwischen dem zweiten Wert und dem dritten Wert kleiner als der zweite Schwellenwert Ist, und anderenfalls der zweiten Kategorie.
Diese Ausführung bietet also drei Möglichkeiten, den Zustand der Batteriezelle in zwei Kategorien einzustufen. Nach der ersten Variante wird nur aufgrund des aus dem gemessenen Druck abgeleiteten Temperaturwerts eingestuft. Nach der zweiten Variante erfolgt die Einstufung nur aufgrund der Differenz zwischen dem von dem Druck abgeleiteten Temperaturwert und dem gemessenen Temperaturwert. Die dritte Variante kombiniert gewissermaßen die ersten zwei Varianten, wobei die Ein- stufung in die erste Kategorie nur dann erfolgt, wenn sowohl der zweite Wert als auch die Differenz oder deren Betrag kleiner ist als der erste bzw. der zweite Schwellenwert. Nach einer Ausführung ist die erste Kategorie ein im Wesentlichen oder ausrei- chend fehlerfreier Zustand der Batteriezelle und die zweite Kategorie ein fehlerbe- hafteter, insbesondere problematischer, insbesondere kritischer Zustand der Batte- riezelle.
Diese Ausführung ermöglicht also das Delektieren eines fehlerbehafteten, insbe- sondere problematischen, insbesondere kritischen Zustands der Batteriezelle auf- grund der zuvor genannten Varianten.
Nach einer Ausführung wird ein Signal, insbesondere ein Warnsignal ausgegeben und/oder eine Aktion ausgeführt, wenn der Zustand der Batteriezelle als der zweiten Kategorie zugehörig angesehen wird, insbesondere dieser zugeteilt wird, wobei die Aktion vorzugsweise wenigstens einen der folgenden Schritte aufweist:
Abschalten der Batteriezelle,
Reduzieren eines Ladestroms, mit dem die Batteriezelle geladen wird, insbesondere auf null,
Reduzieren eines Entladestroms, mit dem die Batteriezelle entladen wird, insbesondere auf null,
öffnen eines Ventils,
Verstärkung der Kühlung oder Einleitung einer Notkühlung.
Es kann also ein Signal ausgegeben werden, das beispielsweise einem Betreiber der Batteriezelle als Warnsignal dienen kann, damit gegebenenfalls Maßnahmen eingeleitet werden können, um dem erkannten fehlerbehafteten, insbesondere prob- lematischen, insbesondere kritischen Zustand der Batteriezelle entgegenzuwirken. Andererseits kann aber auch eine Aktion (automatisch) durchgeführt werden, um (automatisch) dem erkannten Problem etc. entgegenzuwirken.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Überwachen einer Batteriezelle, aufweisend:
Mittel zum Messen eines ersten Wertes, der einem Druck entspricht, der innerhalb der Batteriezelle herrscht; Mittel zum Ermitteln eines zweiten Wertes basierend auf dem ersten Wert, wobei der zweite Wert einer Temperatur der Batteriezelle entspricht; und
Mittel zum Überwachen der Batteriezelle basierend auf dem zweiten
Wert.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle, aufweisend eine oben beschriebene Sensoranordnung. Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, aufweisend eine oben be- schriebene Batteriezelle.
Die mit Bezug auf einen der Aspekte der Erfindung (Verfahren, Sensoranordnung, Batteriezelle und Fahrzeug) vorgestellten vorteilhaften Ausgestaltungen und Ausfüh- rungsformen sowie deren Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsge- mäßen anderen Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfin- dung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinati- onen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar, sofern diese Kombinationen ausführbar sind.
Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei funkti- onsgleiche oder funktionsähnliche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen ver- sehen sind.
Dabei zeigt, teilweise in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Batteriezelle mit einer Sensoranordnung nach einem Ausführungsbei- spiel der Erfindung, Hg. 2 einen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Bat- teriezelle,
Hg. 3 den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur und zusätzlich der Lebensdauer einer Batteriezelle,
Hg. 4 einen Entladevorgang einer Batteriezelle (oberer Teil der Figur) und den Druck und die Temperatur innerhalb der Batteriezelle während dieses Entladevor- gangs (unterer Teil der Figur),
Hg. 5 einen vergrößerten Teilausschnitt des unteren Teils der Fig. 4,
Hg. 6 einen hinsichtlich des Ladezustands kompensierten Zusammenhang zwi- schen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle,
Hg. 7 einen zeitlichen Temperaturverlauf einer Batteriezelle,
Hg. 8 einen zeitlichen Verlauf einer Temperaturdifferenz (oberer Teil der Figur) und einer Temperatur (unterer Teil der Figur) einer Batteriezelle,
Hg. 9 einen zeitlichen Verlauf einer Spannung und eines Stroms (oberer Teil der Figur) und eines Drucks und einer Temperatur (unterer Teil der Figur) bei einem Ladevorgang einer Batteriezelle, Hg. 10 ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Ver- fahrens,
Hg. 11 ein weiteres Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfindungsge- mäßen Verfahrens.
Hg.1 zeigt vereinfacht den Aufbau einer Batteriezelle 1 mit einer Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Batteriezelle 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem sich ein Zellwickel 4 oder Zellstapel 4 befindet. In dem Gehäuse 2 befindet sich ein Gasraum 5, der den Zellwickel 4 oder Zellstapel 4 umgibt Der Zellwickel 4 oder Zellstapel 4 weist ein inneres negatives Terminal 6 und ein inneres positives Termi- nal 9 auf. Diese sind in an sich bekannter Weise durch elektrische Leitungen 7 und 10 mit (äußeren) negativen und positiven Terminals 8, 11 verbunden.
Ein Gasdrucksensor 12 ist in das Gehäuse 2 integriert. Im Prinzip könnte dieser Gasdrucksensor 12 an beliebiger Stelle in oder an der Batteriezelle 1 angeordnet sein, solange er den Druck, der innerhalb der Batteriezelle 1 herrscht, messen kann.
Weil sich Gase innerhalb der Batteriezelle 1 im Wesentlichen ungehindert bewegen können, also insbesondere auch von dem Bereich des Zellwickels oder Zellstapels 4 in den Gasraum 5 und umgekehrt, herrscht innerhalb der Batteriezelle überall im Wesentlichen der gleiche Druck. Demgemäß kann der Gasdrucksensor 12, der, wie in Fig. 1 gezeigt, in das Gehäuse 2 integriert ist, einen ersten Wert messen, der ei- nem Druck entspricht, der innerhalb der Batteriezelle (also auch in dem Zellwickel oder Zellstapel 4) herrscht. Um den technischen Aufwand gering zu halten, emp- fiehlt es sich, den Gasdrucksensor außerhalb des Zellwickels oder Zellstapels 4 anzuordnen, beispielsweise in einem Deckel des Batteriegehäuses (oberer Teil des Gehäuses 2).
Der Gasdrucksensor 12 ist mit einem Prozessor 13 oder ähnlichem verbunden, der die Messergebnisse auswerten und/oder speichern und/oder weiterbearbeiten und/oder weiterleiten kann. Der Prozessor 13 könnte alternativ auch in den Gas- drucksensor 12 integriert sein.
In dem gezeigten Beispiel ist der (insbesondere lineare) Zusammenhang zwischen dem Druck, der innerhaft) der Batteriezelle herrscht, und der Temperatur der Batte- riezelle in dem Prozessor 13 hinterlegt. Um cflesen Zusammenhang zu ermitteln, kann beispielsweise während der Entwicklung der Batteriezelle ein geeigneter Tem- peratursensor in der Batteriezelle angeordnet sein. Ein solcher Temperatursensor (nicht dargestellt) kann beispielsweise in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 angeord- net sein, um möglichst exakt die tatsächliche Temperatur in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 zu messen. Wie zuvor erwähnt, reichen im Prinzip zwei Messpaare von Druck und Temperatur (bei unterschiedlichen Drücken/Temperaturen) aus, um dar- aus einen linearen Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb der Batteriezelle zu ermitteln. Sinnvollerweise werden die Messpaare ermittelt, während sich die Batteriezelle in einem Normalzustand befindet. Nachdem der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur für einen Batterie- zellentyp ermittelt wurde, reicht zum Ermitteln eines zweiten Wertes, der der Tem- peratur innerhalb der Batteriezelle 1 entspricht, das Messen des Drucks („erster Wert“) durch das Druckmessgerät 12 aus. Aus dem gemessenen Druck kann dann gemäß der oben erwähnten Gleichung die Temperatur ermittelt werden. Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Batteriezelle 1 ist eine Temperaturmes- sung im Zellwickel oder Zellstapel 4 also nicht nötig. Entsprechend ist es auch nicht nötig, einen Temperatursensor beispielsweise im Zellwickel oder Zellstapel 4 vorzu- sehen. Dies steht mit dem zuvor erwähnten Anordnen eines Temperatursensors in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 zum Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur nicht im Widerspruch: Nach bevorzugten Ausführungsformen ist es vorgesehen, einen Temperatursensor in dem Zellwickel oder Zellstapel 4 höchstens während der Entwicklung eines Batterietyps anzuordnen, beispielsweise in einem Prototyp. Dieser dient zum Ermitteln des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle dieses Typs. Weitere Batteriezellen dieses Typs (insbesondere Batteriezellen, die zum Verkauf an Kunden vorgesehen sind) würden keinen Temperatursensor im Zellwickel oder Zellstapel 4 aufweisen. Ein solcher ist dann auch nicht nötig, weil der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur bereits ermittelt wurde.
Weitere in Fig. 1 gezeigte Einzelheiten werden im weiteren Verlauf der Beschrei- bung erklärt.
Hg. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur innerhalb einer Batteriezelle für zwei Typen von Batteriezellen. Tatsächlich gemessene Druck- und Temperatunwerte sind für den einen Batteriezellentyp durch Rauten und für den an- deren Batteriezellentyp durch kleine Kreise dargestellt. Man erkennt, dass die Messwerte jeweils für einen Batteriezellentyp einen linearen Zusammenhang auf- weisen. Durch an sich bekannte Methoden können für jeden der beiden Batteriezel- lentypen Geraden 20 und 21 an die Messwerte angepasst werden. Die Abweichung einzelner Messwerte von den Geraden ist relativ gering. Aus den Geraden können die Werte für m und c der oben genannten Gleichung ermittelt werden.
Hg. 3 zeigt einen entsprechenden (linearen) Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur für eine Batteriezelle, wobei zwei Messreihen in einem Abstand von mehreren Wochen durchgeführt wurden - gekennzeichnet jeweils durch verschiede- ne Symbole (Kreise und Dreiecke). Obwohl auch hier ein deutlicher linearer Zu- sammenhang zu erkennen ist, hat der Erfinder festgestellt, dass sich die Lebens- dauer der Batterie (kalendarisches Alter und/oder Alterungszustand basierend auf einer Benutzungs-Historie) auf diesen Zusammenhang auswirkt, d. h. die Werte für m und/oder c verändern sich aufgrund der Lebensdauer der Batteriezelle. Ohne weitere Maßnahmen würde dies bedeuten, dass die Temperatur der Batteriezelle nicht (zuverlässig) aus dem gemessenen Druck ermittelt werden kann. Um dem zu entgegnen ist nach Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgesehen, dass die Le- bensdauer der Batteriezelle berücksichtigt wird. Hierzu kann beispielsweise In dem Prozessor 13 hinterlegt werden, wie sich die Lebensdauer der Batteriezelle auf den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur auswirkt (beispielsweise ermittelt durch Messreihen), so dass der in dem Prozessor 13 hinterlegte Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur entsprechend angepasst werden kann. Die Mes- sung des Drucks würde dann weiterhin das Ermitteln der Temperatur aus dem ge- messenen Druck (mit ausreichender Zuverlässigkeit) ermöglichen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Anpassung des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur auch durch die (direkte) Messung einer weiteren Temperatur ermöglicht werden. Hierzu sehen Ausführungsbeispiele der Erfindung vor, dass ab und zu (beispielsweise im Abstand von Stunden, Tagen oder Wochen) eine oder mehrere Temperaturmessungen durchgeführt werden. Eine solche Temperaturmes- sung würde vorzugsweise im Wesentlichen unabhängig von, aber gleichzeitig mit, einer Druckmessung durch das Druckmessgerät 12 erfolgen. Anhand dieser ge- messenen Temperatur- und Druckwerte kann überprüft werden, ob der hinterlegte Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur (also beispielsweise die Werte für m und c in der oben genannten Gleichung) noch korrekt ist bzw. der Realität ent- spricht. Gegebenenfalls kann dann der Zusammenhang zwischen Druck und Tem- peratur aufgrund der gemessenen Temperatur- und Druckwerte aktualisiert werden. Die Aktualisierung des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur kann nach Ausführungsbeispielen der Erfindung dadurch zuverlässiger gestaltet werden, wenn wenigstens zwei Paare von Temperatur- und Druckwerten gemessen werden.
Die Temperaturmessung kann im Prinzip an allen Stellen in oder an der Batteriezel- le erfolgen. Obwohl eingangs erwähnt wurde, dass Temperaturmessungen außer- halb des Zellwickels oder Zellstapels 4, insbesondere außerhalb des Gehäuses 2, falsche Ergebnisse liefern können, hat der Erfinder erkannt, dass dies im Wesentli- chen nur dann zutrifft, wenn die Batteriezelle unter Last steht bzw. be- oder entladen wird oder aktiv gekühlt oder geheizt wird, insbesondere mit hohen Kühl- oder Heiz- raten. Der Erfinder hat erkannt, dass bei solchen Betriebszuständen der zeitliche Verlauf der Erwärmung des Zellwickels oder des Zellstapels anders verläuft als bei- spielsweise an einem Batteriezellenterminal, so dass die Messung einer Temperatur an einem Terminal der Temperatur im Inneren der Batteriezelle beispielsweise hin- terherhinkt oder vorauseilt. Gleichwohl hat der Erfinder festgestellt, dass sich nach einer ausreichend langen Abkühlphase nach einem solchen Betriebszustand die Temperatur in und an der Batteriezelle ausgleicht. Aus diesem Grund wird nach Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgeschlagen, zum Zwecke einer Re- Kalibrierung des Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur die Temperatur beispielsweise an einem Batteriezellenterminal zu messen, aber nur dann, wenn zu erwarten ist, dass eine solche Messung korrekte Ergebnisse liefert. Beispielsweise kann festgelegt sein, dass eine solche Temperaturmessung nur dann durchgeführt wird, wenn die Batteriezelle während einer vorgegebenen oder vorgeb baren Zeit- spanne (beispielsweise mehrere Minuten, mehrere zehn Minuten, eine Stunde oder mehrere Stunden) im Wesentlichen nicht benutzt wurde oder höchstens mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Maximal-Be- oder -Entladestrom betrieben wurde.
In Fig. 1 wurde an drei verschiedenen Stellen angedeutet, wo eine Temperaturmes- sung in oder an der Batteriezelle 1 durchgeführt werden könnte. In einem Ausfüh- rungsbeispiel ist ein Temperatursensor 16 an dem negativen Terminal 8 angeordnet und mit dem Prozessor 13 verbunden (gestrichelt dargestellt). Zusätzlich oder alter- nativ könnte ein Temperatursensor 17 in dem Gasraum 5 angeordnet sein und auch mit dem Prozessor 13 verbunden sein (wiederum gestrichelt dargestellt).
Gemäß einer dritten Alternative ist ein Temperatursensor 15 in das Druckmessgerät 12 integriert. Das Druckmessgerät 12 könnte beispielsweise einen MEMS- Gasdrucksensor aufweisen, der sowohl zum Messen eines Drucks als auch zum Messen einer Temperatur geeignet ist (dargestellt durch separate (Teil-)Sensoren
14 und 15). Dabei ist zu beachten, dass die Temperaturmessung durch den Sensor
15 im Wesentlichen unabhängig von der Druckmessung durch den Sensor 14 er- folgt. Mt anderen Worten, die Temperatur wird nicht lediglich aus dem gemessenen Druck abgeleitet (gemäß dem oben beschriebenen linearen Zusammenhang), son- dern getrennt ermittelt - damit die unabhängig gemessenen Druck- und Tempera- turwerte dazu benutzt werden können, den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur zu überprüfen und gegebenenfalls zu aktualisieren.
Zusätzlich oder alternativ zur Lebensdauer der Batteriezelle kann auch der Ladezu- stand der Batteriezelle berücksichtigt werden. Dies wird anhand der Figuren 4 bis 6 beschrieben.
Der obere Teil der Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strom (gestrichelte Linie 40) und Spannung (durchgezogene Linie 41) während eines Entladevorgangs der Batteriezelle 1. Die Entladung erfolgt in dem gezeigten Beispiel etwa zwischen den Zeitpunkten t - 10 Minuten bis t = 28 Minuten.
Der untere Teil der Fig. 4 zeigt den Verlauf des gemessenen Drucks (durchgezoge- ne Linie 42 und 43), die (gemessene) Temperatur Tint im Zellwickel oder Zellstapel 4 (gestrichelte Linie 44) und die (gemessene) Temperatur am negativen Terminal 8 (gepunktete Linie 45). Man sieht, dass sich die Kurven 44 und 45 während des Ent- ladevorgangs und noch einige Zeit danach (deutlich) unterscheiden, dass sie aber vor dem Entladevorgang und deutlich nach dem Entladevorgang weitgehend gleich verlaufen. Der Erfinder hat weiterhin erkannt, dass sich der gemessene Druck 42 vor dem Entladevorgang von dem gemessenen Druck 43 am Ende des gezeigten Ausschnitts (t = 120 Minuten) unterscheidet, obwohl bei t = 120 Minuten ein thermi- scher Ausgleich stattgefunden hat und somit ein Druckunterschied nicht unbedingt zu erwarten wäre. Der Erfinder konnte dies auf die Abhängigkeit des Drucks vom Ladezustand (SOG) zurückführen.
Fig. 5 veranschaulicht diesen Zusammenhang in vergrößerter Darstellung. In Fig. 5 ist wiederum die gemessene Temperatur im Zellwickel oder Zellstapel 4 (Strich- Punkt-Linie 54) und die Temperatur am negativen Terminal 8 (durchgezogene Linie 55) dargestellt. In Fig. 5 ist allerdings nicht der gemessene Druck dargestellt, son- dern zwei Temperaturkurven, die aus dem gemessenen Druck anhand der oben erwähnten Gleichung ermittelt wurden. Dabei zeigt die gepunktete Linie 56 die aus dem Druck ermittelte Temperatur, wenn man den Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur so kalibriert, dass die aus dem Druck abgeleitete Temperatur weit- gehend mit der Temperatur Tint (Kurve 54) im vollgeladenen Zustand der Batteriezel- le (linker Bereich der Fig. 5) übereinstimmt. Während die Kurven 54 und 56 im lin- ken Bereich übereinstimmen, ist im rechten Bereich (T = 120 Minuten) eine Abwei- chung erkennbar. Mit anderen Worten, eine so aus dem gemessenen Druck abge- leitete Temperatur stimmt im entladenen Zustand der Batteriezelle nicht so gut mit der tatsächlichen Temperatur im Inneren der Batteriezelle überein wie im vollgela- denen Zustand der Batteriezelle.
Fig. 5 zeigt eine weitere Kurve 57 (mit größerem Abstand gestrichelte Linie). Diese Kurve entspricht der Kurve 56, ist aber nach oben verschoben, d. h. der Zusam- menhang zwischen gemessenem Druck und daraus abgeleiteter Temperatur wurde so kalibriert, dass die aus dem gemessenen Druck abgeleitete Temperatur Im entla- denen Zustand der Batteriezelle gut mit der tatsächlichen Temperatur Tint (Kurve 54) im Inneren der Batteriezelle übereinstimmt (rechter Rand der Fig. 5). Allerdings er- kennt man dann wiederum eine Abweichung zwischen den Kurven 57 und 54 am linken Rand der Fig. 5 (vollgeladener Zustand der Batteriezelle).
Nach manchen Ausführungsbeispielen können die zuvor beschriebenen Abwei- chungen zwischen der Kurve 56 und der Kurve 54 oder zwischen der Kurve 57 und der Kurve 54 vernachlässigt werden, weil die Abweichungen im gezeigten Beispiel nur wenige Grad betragen. In anderen Ausführungsbeispielen wird diesen Abweichungen Rechnung getragen, so dass die aus dem gemessenen Druck abgeleitete Temperatur sich noch besser an die tatsächliche Temperatur im Zellwickel oder Zellstapel 4 anpasst, insbesonde- re über alle Ladungszustände. Hierzu kann analog verfahren werden wie bei dem oben beschriebenen Berücksichtigen der Lebensdauer der Batteriezelle.
Nach einem Ausführungsbeispiel wird der Ladungszustand der Batterie berücksich- tigt, indem beispielsweise durch Messreihen während der Entwicklung der Batterie- zelle untersucht wird, wie der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur in- nerhalb der Batteriezelle vom Ladungszustand abhängt. Daraus gewonnene Infor- mationen können in dem Prozessor 13 hinterlegt werden, beispielsweise in Form eines vom Ladungszustand abhängigen Korrekturterms, beispielsweise dadurch, dass in der oben erwähnten Gleichung der Wert c keine Konstante Ist, sondern vom Ladungszustand SOG der Batteriezelle abhängt. In einem anderen Ausführungsbeispiel werden während bestimmungsgemäßer Be- nutzung der Batteriezelle der Druck und die Temperatur der Batteriezelle bei ver- schiedenen Ladezuständen gemessen. Die Temperatur kann wiederum an ver- schiedenen Orten in oder an der Batteriezelle gemessen werden, beispielsweise durch einen Temperatursensor 16 am negativen Terminal 8 oder durch einen Tem- peratursensor 17 im Gasraum 5. Hierbei werden wiederum genauere Ergebnisse erzielt, wenn die Temperaturmessungen nach einer ausreichend langen Abkühlpha- se durchgeführt werden, wenn sich also ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat. Die aus diesen Messungen gewonnenen Informationen können wiederum in dem Prozessor 13 hinterlegt werden. Hg. 6 zeigt für den im oberen Teil der Fig. 4 dargestellten Entladevorgang drei Temperaturkurven im Vergleich. Die durchgezogene Linie 65 stellt die am negativen Terminal 8 gemessene Temperatur dar. Dies entspricht der Linie 55 aus Fig. 5. Die Strich-Punkt-Linie 64 in Fig. 6 gibt die gemessene interne Temperatur Tint im Zellwi- ckel oder Zellstapel 4 wieder. Die Linie 64 entspricht der Linie 54 aus Fig. 5. Schließlich zeigt Fig. 6 auch eine mit größerem Abstand gestrichelte Linie 68. Die Linie 68 stellt die aus dem gemessenen Druck abgeleitete Temperatur T(p) dar un- ter Berücksichtigung des Ladungszustands der Batterie, d. h. die anhand der oben erwähnten Gleichung errechnete Temperatur mit einem vom Ladezustand abhängi- gen Korrekturterm c(SOC). Der Korrekturterm c(SOC) wurde zuvor wie oben be- schrieben ermittelt Wie aus Fig. 6 deutlich hervorgeht, ist die verbleibende Abwei- chung zwischen der aus dem Druck abgeleiteten Temperatur (Kurve 68) zur Tempe- ratur im Zellwickel oder Zellstapel Tint (Kurve 64) über alle Ladezustände der Batte- riezelle sehr gering. Insbesondere ist die Abweichung der Kurve 68 zur Kurve 64 über die meisten Bereiche geringer als die Abweichung der Kurve 65 zur Kurve 64.
Wie anhand der Figuren 1 bis 6 beschrieben, kann also letztendlich ein Zusammen- hang zwischen einem Druck p, der in der Batteriezelle 1 herrscht, und einer Tempe- ratur T der Batteriezelle ermittelt und beispielsweise in dem Prozessor 13 hinterlegt werden, damit anhand dieses Zusammenhangs eine Temperatur T(p) der Batterie- zelle aus dem gemessenen Druck p ermittelt werden kann. Wie zuvor beschrieben kann dieser Zusammenhang den Ladezustand und/oder die Lebensdauer/den Alte- rungszustand der Batteriezelle berücksichtigen. Der hinterlegte Zusammenhang kann dann zum Überwachen der Batteriezelle, also basierend auf T(p) benutzt wer- den, wie nachfolgend beschrieben wird. Insbesondere können so Fehler / Probleme Z kritische Zustände der Batteriezelle 1 detektiert werden. Um einen kritischen Zustand zu simulieren, hat der Erfinder in einem Experiment eine Batteriezelle 1 auf einer Kochplatte erwärmt. Die Batteriezelle war dabei so auf der Kochplatte platziert, dass sie einseitig erwärmt wurde. Ein solches einseitiges Erwärmen hat ein Szenario simuliert, das in ähnlicher Weise durchaus bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch einer Batteriezelle in der Form eines Hotspots (starke lokale Erhitzung der Zelle) auftreten kann.
Fig. 7 zeigt einen zeitlichen Temperaturveriauf der Batteriezelle für dieses Experi- ment. Dabei wurden an zwei verschiedenen Stellen die tatsächliche Temperatur der Batteriezelle gemessen: Kurve 71 zeigt den Verlauf der gemessenen Temperatur Tint im Zellwickei oder Zellstapel 4. Kurve 72 zeigt den Verlauf der gemessenen Temperatur Tterm am negativen Terminal 8 der Batteriezelle 1. Eine horizontale Linie (60 °C) ist auch in Fig. 7 eingetragen. Diese stellt eine gewählte kritische Tempera- tur Tkrit dar, die die Batteriezelle 1 im normalen Gebrauch nicht überschreiten soll. Schließlich ist in Fig. 7 auch eine Kurve 70 zu sehen. Diese ist nicht eine gemesse- ne Temperatur, sondern zeigt den zeitlichen Verlauf einer aus dem gemessenen Druck abgeleiteten Temperatur T(p).
Wie deutlich zu erkennen ist, steigen alle drei Kurven 70, 71 und 72 während der Dauer des Experiments an. Dabei steigt die Temperatur 72 am negativen Terminal langsamer an als die Temperatur 71 im Zellwickel oder Zellstapel.
Das Erreichen bzw. Überschreiten der kritischen Temperatur von 60 "C kann zum Delektieren eines kritischen Zustands verwendet werden, beispielsweise um eine Kühlung der Batteriezelle zu erhöhen, eine Notkühlung einzuleiten oder ein Über- druckventil der Batteriezelle zu öffnen. Wenn zu diesem Zweck die am Terminal gemessene Temperatur 72 benutzt würde, würde der kritische Zustand erst etwa zu einem Zeitpunkt von t - 500 Sekunden erreicht. Unter Verwendung der Temperatur 71 im Zellwickel oder Zellstapel würde der kritische Zustand etwa zu einem Zeit- punkt t » 410 Sekunden erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wäre die lokale Temperatur am Hotspot (nicht dargestellt) bereits deutlich höher als die kritische Temperatur, so dass zumindest im Bereich des Hotspots die Batteriezelle 1 bereits (permanent) beschädigt worden wäre oder auch Gegenmaßnahmen wie eine Erhöhung der Küh- lung oder eine Notkühlung nicht mehr rechtzeitig eingeleitet werden könnten. Die aus dem Druck abgeleitete Temperatur T(p), Kurve 70, steigt deutlich schneller an als die anderen zwei gezeigten Temperaturen. Erfindungsgemäß ist dies darauf zurückzuführen, dass der Druck innerhalb der Batteriezelle durch die lokale Erwär- mung am Hotspot deutlich schneller ansteigt als es eine gemessene Temperatur im Zellwickel oder Zellstapel 4, Gasraum 5 oder an einem Batterieterminal tun würde. Außerdem können ab einer gewissen Temperatur (z.B. ab ca. 80 °C) bereits Zerset- zungsprozesse in der Zelle stattfinden, die ebenso den Gasdruck erhöhen und da- mit die daraus ermittelte Temperatur. Wird also gemäß dem Experiment die Kurve 70 zum Delektieren eines kritischen Zustands benutzt, würde dieser bereits etwa zu einem Zeitpunkt von t = 310 Sekunden erreicht bzw. delektiert. Dadurch ist es schon zu einem früheren Zeitpunkt möglich, Gegenmaßnahmen gegen die Ursa- chen der Erwärmung einzuleiten, um so (permanente) Schäden an der Batteriezelle 1 zu reduzieren oder zu vermeiden. Bei einer bestimmungsgemäßen Benutzung der Batteriezelle 1 könnten solche Ge- genmaßnahmen, beispielsweise das Ausgeben eines Warnsignals, das Abschalten der Batteriezelle, das Reduzieren eines Ladestroms (insbesondere auf null), das Reduzieren eines Entladestroms (insbesondere auf null), das öffnen eines Ventils, die Verstärkung der Kühlung oder das Einleitung einer Notkühlung aufweisen.
Hg. 8 zeigt einen zeitlichen Verlauf bezüglich des oben beschriebenen Experi- ments. Der obere Teil zeigt zwei Kurven 81 und 82. Kurve 81 stellt die Differenz zwischen der aus dem Druck ermittelten Temperatur T(p) und der gemessenen Temperatur Tint im Zellwickel oder Zellstapel 4 dar. Mit anderen Worten, Kurve 81 entspricht der Differenz zwischen den Kurven 70 und 71 aus der Fig. 7, also T(p) - Tint. In ähnlicher Weise stellt Kurve 82 die Differenz zwischen der aus dem gemes- senen Druck abgeleiteten Temperatur T(p) und der gemessenen Temperatur am negativen Terminal 8 dar, also die Differenz zwischen den Kurven 70 und 72 aus der Fig. 7, T(p) - Tterm. Diese Differenzen können nach Messen des Drucks p und einer weiteren Temperatur (im Zellwickel oder Zellstapel oder am Batterieterminal) beispielsweise durch den Prozessor 13 gebildet werden. Nach Ausführungsbeispie- len der Erfindung kann die gebildete Differenz dazu benutzt werden, einen kritischen Zustand oder ähnliches zu delektieren. Hierzu wird, wie im oberen Teil der Fig. 8 durch eine horizontale Linie bei 20 K veranschaulicht, ermittelt, ob die ermittelte Temperaturdifferenz DT den Schwellenwert von T#, = 20 K erreicht oder überschrei- tet. Wenn Kurve 81 zum Delektieren eines kritischen Zustands benutzt wird, wird ein solcher im gezeigten Beispiel etwa bei t = 330 Sekunden erreicht bzw. detektiert, bei Benutzung der Kurve 82 bereits etwa bei t = 290 Sekunden. Die Benutzung einer solchen Differenz ermöglicht also unter Umständen ein Detektieren eines kritischen Zustands noch früher als es die Benutzung der aus dem Druck abgeleiteten Tempe- ratur T(p), Kurve 70, ohne Differenzbildung erlauben würde.
Der untere Teil der Fig. 8 zeigt nochmal die Kurven 71 und 72 aus der Fig. 7 (in ei- nem anderen Maßstab in vertikaler Richtung) zum Vergleich. Die Zeitpunkte, zu denen der kritische Zustand anhand der Kurven 71 und 72 erreicht wird, ist zum Vergleich auch im oberen Teil der Fig. 8 durch einen Kreis und ein Quadrat bei etwa 410 Sekunden und 500 Sekunden gekennzeichnet also zu einem deutlich späteren Zeitpunkt als der Zeitpunkt, zu dem die Kurve 82 den Temperaturschwellenwert T* von 20 K überschreitet. Fig. 9 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Spannung (gestrichelte Linie 90) und ei- nes Stroms (durchgezogene Linie 91) im oberen Teil der Figur und eines Drucks (gestrichelte Linie 92) und einer Temperatur (durchgezogene Linie 93) im unteren Teil der Figur bei einem Ladevorgang einer Batteriezelle, die zwar im Prinzip der erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 ähnlich ist, die aber nicht die erfindungsgemäße Überwachungsfunktion hat. Der Ladevorgang wurde absichtlich so gestaltet, dass cfie Batteriezelle überladen wird.
Die Kurven 92 und 93 im unteren Teil der Fig. 9 zeigen einen gemessenen Druck und eine gemessene Temperatur. Beide Kurven steigen nach ca. 15 Minuten deut- lieh an. Allerdings wird ein kritischer Druck bzw. eine kritische Temperatur zunächst nicht erreicht. Der Grund hierfür ist, dass der kritische Druck bzw. die kritische Tem- peratur relativ hoch festgelegt wurde, damit, wie eingangs erwähnt, die Anzahl von Fehldetektionen eines kritischen Zustands gering gehalten werden kann. Im gezeig- ten Beispiel wird etwa zu einem Zeitpunkt von t = 62 Minuten ein kritischer Druck erreicht, bei dem sich eine Berstmembran öffnet, worauf der Druck plötzlich absinkt. Bis zu diesem Zeitpunkt hätte die Batteriezelle aber schon irreversible Schäden erlit- ten.
Hingegen hätte die Benutzung der vorliegenden Erfindung einen kritischen Zustand schon kurz nach t = 15 Minuten melden können, wodurch Schäden an der Batterie- zelle reduziert oder vermieden worden wären. Wie oben erwähnt zeigt Fig. 1 eine Batteriezelle 1 mit einer Sensoranordnung. Bne erfindungsgemäße Sensoranordnung ist nicht gesondert dargestellt. Von den in Fig. 1 gezeigten Komponenten würde eine solche Sensoranordnung insbesondere das Druckmessgerät 12 und den Prozessor 13 aufweisen, gegebenenfalls auch einen Temperatursensor, wie z. B. die separaten Temperatursensoren 16 und/oder 17, und/oder den in das Druckmessgerät 12 integrierten Temperatursensor 15. Die Sensoranordnung kann beispielsweise separat bereitgestellt werden zum späteren Ein- oder Anbau In oder an einer Batteriezelle 1.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist der Prozessor 13 so eingerichtet, dass er nicht nur die Temperatur T(p) aus dem gemessenen Druck ermitteln kann, sondern auch die zuvor erwähnte Differenz DT (oder deren Betrag |DT| ) zwischen der Temperatur T(p) und einer beispielsweise durch den Temperatursensor 16 gemessenen Tempe- ratur Tterm berechnen kann. Weiterhin kann der Prozessor 13 den Vergleich der Temperatur T(p) mit einer kritischen Temperatur Tkrit und/oder den Vergleich der zuvor genannten Differenz mit einem Schwellenwert T#, durchführen. Weiterhin kann der Prozessor so gestaltet sein, dass er daraus ermittelt, ob sich die Batteriezelle 1 in einem fehlerhaften und/oder problematischen und/oder kritischen Zustand befin- det und kann ferner gegebenenfalls die Ausgabe eines Warnsignals oder das Aus- führen einer Aktion (beispielsweise eine Gegenmaßnahme, um einem kritischen Zustand zu entgegnen) veranlassen.
Rg. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Start 100 des Verfahrens wird in einem Schritt 101 der Druck, der innerhalb der Batteriezelle 1 herrscht, gemessen. Basierend auf dem gemessenen Druck wird in einem Schritt 102 die Temperatur T(p) innerhalb der Bat- teriezelle ermittelt, beispielsweise durch die oben angegebene Gleichung. Hierbei wird angenommen, dass der Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur im Inneren der Batteriezelle 1 bereits ermittelt wurde, so dass die Temperatur aus dem Druck berechnet werden kann. Gegebenenfalls würde auch die Lebensdauer/der Alterungszustand und der Ladungszustand der Batteriezelle berücksichtigt (nicht als gesonderte Verfahrensschritte dargestellt). Anschließend wird in einem Schritt 103 die Batteriezelle basierend auf der ermittelten Temperatur T(p) übenwacht, insbe- sondere hinsichtlich des Erreichens eines fehlerbehafteten, problematischen oder kritischen Zustands. Im Prinzip endet das Verfahren dann (Schritt 104), wobei es aber selbstverständlich wiederholt werden kann, um ein kontinuierliches Überwa- chen der Batteriezelle 1 zu ermöglichen.
Hg. 11 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten eines erfin- dungsgemäßen Verfahrens. Dies kann als Weiterentwicklung bzw. als detailliertere Darstellung des Verfahrensablaufs der Fig. 10 angesehen werden.
Nach dem Start 110 des Verfahrens wird in einem Schritt 111 der Zelldruck p ge- messen z.B. durch das Druckmessgerät 12. Aus dem gemessenen Zelldruck p wird im Schritt 112 eine Temperatur T(p) berechnet, z.B. durch den Prozessor 13, wobei hier gegebenenfalls auch der Ladungszustand, SOG, und/oder die Lebensdauer/der Alterungszustand der Batteriezelle berücksichtigt wird. In einem weiteren Schritt 113 wird die so ermittelte Temperatur T(p) mit einem kritischen Temperaturwert Tkrit ver- glichen. Außerdem wird in einem Schritt 114 eine Temperatur der Batteriezelle ge- messen, beispielsweise im Zellwickel oder Zellstapel 4, im Gasraum 5 oder an ei- nem Batterieterminal. Anschließend wird in einem Schritt 115 eine Temperaturdiffe- renz DT gebildet, nämlich aus der von dem gemessenen Druck abgeleiteten Tempe- ratur T(p) und der im Schritt 114 gemessenen Temperatur T. Anschließend wird im Schritt 116 die Temperaturdifferenz (oder ein Betrag der Temperaturdifferenz) mit einem Temperatur-Schwellenwert T* verglichen.
Basierend auf den in den Schritten 113 und 116 z.B. durch den Prozessor 13 durchgeführten Vergleichen wird im Schritt 117 eine OR-Verknüpfung bzw. im Schritt 119 eine AND- Verknüpfung ausgeführt. Wenn der Vergleich im Schritt 113 ergibt, dass die Temperatur T(p) größer oder gleich einem kritischen Temperatur- wert Tkrit ist, ODER wenn der Vergleich im Schritt 116 ergibt, dass die Differenz DT (oder deren Betrag) größer oder gleich einem Temperatur-Schwellenwert Tt, ist, führt die OR-Verknüpfung im Schritt 117 dazu, dass in einem nachfolgenden Schritt 118 die Batteriezelle 1 abgeschaltet wird. Alternativ hierzu wären im Schritt 118 auch andere Aktionen möglich (Warnsignal, Druckablass usw.). Andernfalls (also wenn die Temperatur T(p) kleiner als der kritische Temperaturwert Tkrit ist UND die Differenz DT bzw. ihr Betrag kleiner als der Temperatur-Schwellenwert Tu, ist), führt die AND- Verknüpfung im Schritt 119 dazu, dass der Zustand der Batteriezelle in einem Schritt 120 als normal angesehen bzw. durch den Prozessor 13 als normal gewertet wird. Mit den Schritten 118 bzw. 120 kann das Verfahren im Prinzip enden, wobei es selbstverständlich aber wiederholt werden kann, um ein kontinuierliches Überwa- chen der Batteriezelle 1 zu ermöglichen. Nach einer Variante dieses Ausführungsbeispiels (nicht gesondert dargestellt) könn- ten auch die AND und OR-Operationen vertauscht werden, um die Wahrscheinlich- keit einer Fehldetektion zu verringern.
Nach weiteren Varianten dieses Ausführungsbeispiels (nicht gesondert dargestellt) wird im Wesentlichen nur die linke Hälfte oder die rechte Hälfte der Fig. 11 durchge- führt, so dass das Überwachen der Batteriezelle 1 nur basierend auf dem Tempera- turwert T(p) oder der Differenz DT erfolgt. Bei einem Übenwachen basierend auf der Temperaturdifferenz DT ist allerdings natürlich auch das Ermitteln der Temperatur T(p) nötig, so dass letztendlich auch hier die Überwachung basierend auf der Tem- peratur T(p) erfolgt. Bei diesen Varianten würde die OR-Verknüpfung und die AND- Verknüpfung entfallen, so dass das Verfahren nach dem Vergleich in den Schritten 113 oder 116 direkt zu den Schritten 118 bzw. 120 führt.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrie- ben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungs- formen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschrie- benen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausge- hende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindes- tens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei es sich versteht, dass ver- schiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer bei- spielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden kön- nen, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgeleg- ten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird. Bezugszeichenliste
1 Batteriezelle
2 Gehäuse / Außenwandung
4 Zellwickel oder Zellstapei
5 Gasraum
6 Inneres negatives Terminal
7 Elektrische Verbindung
8 Äußeres negatives Terminal
9 Inneres positives Terminal
10 Elektrische Verbindung
11 Äußeres positives Terminal
12 (Gas-) Druckmessgerät / Drucksensor
13 Prozessor
14 Drucksensor
15 T emperatursensor
16 T emperatursensor
17 Temperatursensor
20, 21 Linearer Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur
40 Stromverlauf
41 Spannungsverlauf
42, 43 Druckverlauf
44, 45, 54 bis 57, 64, 65, 68 Temperaturverlauf
70 bis 72 Temperaturverlauf
81 , 82 Verlauf einer Temperaturdifferenz
90 Spannungsverlauf
91 Stromverlauf
92 Druckverlauf
93 Temperaturverlauf
100 bis 104 Verfahrensschritte
110 bis 120 Verfahrensschritte

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle (1 ), aufweisend:
Messen eines ersten Wertes, der einem Druck (p) entspricht, der in- nerhalb der Batteriezelle (1) herrscht;
Ermitteln eines zweiten Wertes (T(p)) basierend auf dem ersten Wert, wobei der zweite Wert (T(p)) einer Temperatur der Batteriezelle (1) ent- spricht; und
Überwachen der Batteriezelle (1) basierend auf dem zweiten Wert
(T(p)).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der zweite Wert (T(p)) anhand eines Zu- sammenhangs (20, 21) zwischen Druck und Temperatur der Batteriezelle (1) basierend auf dem ersten Wert ermittelt wird, wobei der Zusammenhang (20, 21) zwischen Druck und Temperatur der Batteriezeile (1) herrscht, während sich die Batteriezelle (1) in einem Normalzustand befindet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zusam- menhang (20, 21) zwischen Druck und Temperatur der Batteriezelle (1) den Ladungszustand der Batteriezelle (1) und/oder die Lebensdauer und/oder den Alterungszustand der Batteriezelle (1) berücksichtigt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Überwa- chen der Batteriezelle (1) basierend auf dem zweiten Wert (T(p)) ein Ermit- teln aufweist, ob der zweite Wert (T(p)) einem ersten Schwellenwert (TwO gleicht oder diesen übersteigt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
Messen eines dritten Wertes (Tterm), der einer Temperatur in oder an der Batteriezelle (1) entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Wert und der dritte Wert durch zwei im Wesentlichen voneinander unabhängigen Messungen ermittelt wer- den.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Überwachen der Batteriezelle (1) basierend auf dem zweiten Wert (T(p)) ein Überwachen der Batteriezelle (1) basierend auf einer Differenz (DT) zwischen dem zweiten Wert (T(p)) und dem dritten Wert aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Überwachen der Batteriezelle (1) basierend auf der Differenz (DT) zwischen dem zweiten Wert (T(p)) und dem dritten Wert ein Ermitteln aufweist, ob die Differenz (DT) oder der Betrag der Differenz einem zweiten Schwellenwert (Tth) gleicht oder diesen übersteigt.
9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 8, wobei der Zustand der Batteriezelle (1) als zugehörig angesehen wird, insbesondere zugeteilt wird:
einer ersten Kategorie, wenn der zweite Wert (T(p)) kleiner als der erste Schwellenwert ( Tkrit) ist, und einer zweiten Kategorie, wenn der zweite Wert (T(p)) dem ersten Schwellenwert (TM) gleicht oder diesen übersteigt, oder
der ersten Kategorie, wenn die Differenz (DT) oder deren Betrag zwi- schen dem zweiten Wert (T(p)) und dem dritten Wert kleiner als der zweite Schwellenwert (Tm) ist, und der zweiten Kategorie, wenn diese Differenz (DT) oder deren Betrag dem zweiten Schwellenwert (Tth) gleicht oder diesen übersteigt, oder
der ersten Kategorie, wenn sowohl der zweite Wert (T(p)) kleiner als der erste Schwellenwert (Twi) ist, als auch die Differenz (DT) oder deren Be- trag zwischen dem zweiten Wert (T(p)) und dem dritten Wert kleiner als der zweite Schwellenwert (T*) ist, und anderenfalls der zweiten Kategorie.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Kategorie ein im Wesentlichen oder ausreichend fehlerfreier Zustand der Batteriezelle (1) ist und die zweite Kategorie ein fehlerbehafteter, insbesondere problematischer, insbesondere kritischer Zustand der Batteriezelle (1) ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein Signal, insbesondere ein Warnsignal ausgegeben wird und/oder eine Aktion ausgeführt wird, wenn der Zustand der Batteriezelle (1) als der zweiten Kategorie zugehörig angesehen wird, insbesondere dieser zugeteilt wird, wobei die Aktion vorzugsweise we- nigstens einen der folgenden Schritte aufweist: Abschalten der Batteriezelle ( 1 ) ,
Reduzieren eines Ladestroms, mit dem die Batteriezelle (1) geladen wird, insbesondere auf null,
Reduzieren eines Entladestroms, mit dem die Batteriezelle (1 ) entla- den wird, insbesondere auf null,
öffnen eines Ventils,
Erhöhung der Kühlleistung oder Einleiten einer Notkühlung.
12. Sensoranordnung zum Überwachen einer Batteriezelle (1), aufweisend:
Mittel (12, 14) zum Messen eines ersten Wertes, der einem Druck entspricht, der innerhalb der Batteriezelle (1 ) herrscht;
Mittel (13) zum Ermitteln eines zweiten Wertes (T(p)) basierend auf dem ersten Wert, wobei der zweite Wert (T(p)) einer Temperatur der Batte- riezelle (1 ) entspricht; und
Mittel (13) zum Überwachen der Batteriezelle (1) basierend auf dem zweiten Wert (T(p)).
13. Batteriezelle ( 1 ), aufweisend eine Sensoranordnung nach Anspruch 12.
14. Fahrzeug, aufweisend eine Batteriezelle (1 ) nach Anspruch 13.
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