WO2021032418A1 - Verfahren und anordnungen zur erkennung des ladezustandes von lithium-ionen-batterien mit optischen mitteln - Google Patents

Abstract

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

Description

Verfahren und Anordnungen zur Erkennung des Ladezustandes von

Lithium-Ionen-Batterien mit optischen Mitteln

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur messtechnischen Beobachtung des Ladezustandes von Lithium-Ionen-Batterien. Insbesondere kann der Ladezustand von ladungsspeichernden Elektrodenmaterialien optisch erfasst werden. Erfindungsgemäß wird hierzu die Lichtleitung durch den Separator verwendet.

Stand der Technik

Eine Reihe von Verfahren und Systemen zur Ladezustandserkennung von Batterien und Batteriezellen sind bekannt, sie erfüllen Teilfunktionen von Batteriemanagementsystemen. Für die Ladezustandserkennung werden häufig elektrische Größen erfasst und ausgewertet.

In einfachen Systemen werden Spannungswerte der Batteriezellen oder der Gesamtbatterie bestimmt und mit vorgegebenen Werten oder Kennlinien verglichen. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass die messbaren Spannungswerte zumindest teilweise von den aktuellen und vergangenen Betriebsbedingungen abhängig sind. So stellt sich beispielsweise eine Ruhespannung als Beziehung zwischen den Spannungswerten und dem Ladezustand erst nach dem Erreichen eines Gleichgewichtszustandes ohne Stromfluss ein. Dieser ist erst nach längerer Zeit ohne Lade- oder Entladevorgang praktisch gegeben. Diese Beziehung von Spannungswert und Ladezustand wird als Ruhespannungskennlinie (englisch: Open Circuit Voltage Characteristic) angegeben. Sie ist wiederum von anderen Einflüssen und Größen wie Temperatur und Alterung der Zelle abhängig.

Andere Verfahren nutzen zusätzlich Strommessungen und integrieren diese Werte über die Betriebszeit, um eine rechnerische Ladungsbilanz zu erstellen. Diese stromintegrierenden Verfahren werden oft Coulomb-Counting-Verfahren - nach der Einheit der elektrischen Ladung Coulomb - genannt. Sie erfordern genaue und stabile Strommessungen. Die stromintegrierenden Verfahren haben - wie die meisten integrierenden Verfahren - das messtechnische Problem von Integrationsfehlern. In Anwendungen mit sehr unterschiedlich großen Batterieströmen werden Strommessungen mit großen Messbereichen benötigt. Bei großer Dynamik der Batterieströme ist eine hohe zeitliche Messdichte erforderlich, welche den Integrationsfehler erhöht. Mit Hilfe von Spannungsmessungen wird die Wirkung des Integrationsfehlers vermindert. Daher werden häufig Spannungsmessungen und Strommessungen kombiniert. Sie führen über Modellrechnungen zu Schätzungen des Batterieladezustandes, welche jedoch häufig beträchtliche Fehler aufweisen. Als wichtige nicht elektrische Größe wird die Batterietemperatur oftmals zusätzlich berücksichtigt, weil sie einen erheblichen Quereinfluss hat. Ebenso ist die Alterung der Batterie eine wichtige Einflussgröße. Die Bestrebung, über die Modellrechnung zutreffende Schätzungen, zu erhalten, führte zu komplexen Modellen mit einer Reihe von Parametern. Teilweise werden die Modellparameter adaptiv ermittelt oder nachgeführt. Eine Verbesserung dieser Modellierung kann durch das Erfassen zusätzlicher Messgrößen durch neue Verfahren erreicht werden.

Es sind auch Lösungen bekannt, die in der Kombination von elektrischer Stimulation und Messungen bestimmte Zustandsparameter der Batteriezellen ermitteln. Hierzu gehört das Verfahren der elektrochemischen Impedanzspektroskopie, welches den kapazitiven und ohmschen Anteil des Innenwiderstandes bei verschiedenen Frequenzen analysiert. Dazu wird beispielsweise ein Wechselstrom durch die Zelle geleitet und die Spannungsantwort synchron ausgewertet. Eine erweiterte Darstellung hierzu findet sich in ’Characterization of high-power lithium-ion batteries by electrochemical impedance spectroscopy. I, II’ (Andre et al., Journal of Power Sources, 2011).

Bei den Verfahren auf Basis elektrischer Messgrößen - mit und ohne gezielte Stimulationen - kann sich nachteilig auswirken, dass die Modelle nicht alle Quereinflüsse und Betriebsbedingungen berücksichtigen können.

Nur wenige Verfahren erfassen über die vorgenannten Größen hinaus weitere Parameter, wie beispielsweise den Zelleninnendruck oder den Elektrolytfüllstand. Dabei werden direkte - von den elektrischen Größen unabhängige - Messprinzipien angestrebt.

Für den Elektrolyten von Bleibatterien ist seit langem bekannt, dass sich die gravimetrische Dichte mit dem Ladezustand ändert. Ebenso ist bekannt, dass auch die optische Dichte und damit verbunden der Brechungsindex beeinflusst wird. Eine Untersuchungsmethode dazu basiert auf der Entnahme von Elektrolytproben und deren Vermessungen mit einem Refraktometer. Es sind außerdem Verfahren vorgeschlagen worden, die Änderung des Brechungsindex mit Hilfe von in den flüssigen Elektrolyten eingetauchten Lichtleitfasern auszuwerten. Der Artikel ’Density measurement into lead-acid-batteries with multi-point optical fibre sensors’ (J. Marcos-Acevedo et al., I2MTC 2009 - International Instrumentation and Measurement Technology Conference, IEEE 2009) stellt eine Lösung dafür vor.

Für moderne Lithium-Ionen-Batterien ist eine faseroptische Beobachtung des Elektrolyten für die Ermittlung des Ladezustandes nicht geeignet. In der Technologie der Lithium-Ionen- Batterien hat der Elektrolyt die Funktion der lonenleitung zwischen den speichernden Elektrodenmaterialien.

Dabei wird der Elektrolyt im Batterieprozess chemisch nicht verändert und es liegen keine vergleichbaren Veränderungen, wie beim Elektrolyten der Bleibatterie vor. Insofern kann der Vorschlag des vorgenannten Artikels nicht umgesetzt werden.

Für die Laboruntersuchung - jedoch nicht für die praktische Batterieanwendung - sind Untersuchungsmöglichkeiten bekannt, die mit der Zerlegung der Batteriezelle verbunden sind. Diese Untersuchungen sind unter der Bezeichnung Post-Mortem-Analyse bekannt. Sie umfassen auch das speichernde Elektrodenmaterial.

Aus diesen Untersuchungen ist bekannt, dass sichtbare Farbveränderungen der Elektrodenoberfläche in Abhängigkeit vom Ladezustand auftreten können. So variiert beispielsweise die Farbe bei Graphit-Anoden ladungsabhängig zwischen schwarz-grau über blau und rot bis hin zu metallisch-goldenen Farbeindrücken. Der Artikel 'Direct in situ measurements of Li transport in Li-ion battery negative electrodes’ (Stephen Harris et al., Chemical Physics Letters, 2010) zeigt diesen Effekt und stellt die optische Beobachtung von Graphit-Elektroden mittels Mikroskop käme ras vor.

Weiterhin ist aus aktueller Forschungstätigkeit bekannt, dass die ladungsabhängigen optischen Effekte durch bestimmte Additive verstärkt werden können. Dies wird im Artikel 'Method and Measurement Setup for Battery State Determination Using Optical Effects in the Electrode Material’ (Valentin Roscher und Karl-Ragmar Riemschneider, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2018) beschrieben. Wie dort geschildert, bewirkt beispielsweise der Zusatz von Indium-Zinn-Oxid als elektrochromer Marker bei Lithium- Eisenphosphat-Kathoden eine deutliche Veränderung der Reflektivität, wenn Lithium-Ionen in diesem Elektrodenmaterial ein- oder ausgelagert werden. Diese ist als Abdunklung oder Aufhellung der Kathode sichtbar. Zu diesem Zweck wurden Testzellen mit transparenten Fenstern entwickelt, welche Kamerabeobachtungen im Labor ermöglichen. Diese Testzellen und die Verwendung von Kameras sind jedoch für gewöhnliche Batterieanwendungen nicht geeignet. Kommerzielle Zellen mit mehrschichtigem Zellaufbau sind zudem nicht durch außenliegende Fenster beobachtbar.

Um die üblichen Zellenkonstruktionen weit weniger zu verändern, wurde bereits vorgeschlagen, präparierte Lichtleitfasern in die Elektroden einzubringen bzw. an die Elektroden heranzuführen. Der Artikel ’Optical characterization of commercial lithiated graphite battery electrodes and in situ fiber optic evanescent wave spectroscopy’ (Particia Nieva, Abdul Ghannoum et al., ACS Applied Materials and Interfaces, 2016) beschreibt dies näher. Dort wird erläutert, dass das durch die präparierten Lichtleitfasern geführte Licht in messbare Wechselwirkung mit dem umgebenden Elektrodenmaterial tritt. Mit einem Lichtsensor können vom Ladezustand abhängige Verluste der Lichttransmission durch die Faser erfasst werden. Es wurde eine messtechnisch nutzbare Korrelation zwischen diesen Verlusten und dem Ladezustand nachgewiesen. Der Artikel Optische Batteriesensorik für Elektro-Fahrzeuge’ (Valentin Roscher und Karl-Ragmar Riemschneider, Automobil-Sensorik 2, Springer- Verlag, 2018) befasst sich mit optischen Effekten an den

Lithium-Eisenphosphat-Kathoden und erwähnt dazu passend die Möglichkeit der Einbringung von Glasfaser-Lichtwellenleitern in Lithium-Ionen-Batterien.

Obwohl der Ladezustand der Elektroden durch die eingebrachten Lichtleitfasern im Betrieb direkt beobachtbar wird, stehen dieser Anwendung des optischen Messprinzips noch erhebliche Nachteile gegenüber.

Sie sind durch die erforderlichen Lichtleitfasern bedingt, die bisher in der industriellen Batteriefertigung nicht eingesetzt werden. Insbesondere sind die Präparation der Faser und das Einbringen in die Elektrode technologisch aufwändige Schritte. Lichtleitende Glasfasern werden nach notwendiger Entfernung der äußeren Schutzschicht sehr empfindlich und brechen bereits bei geringen Belastungen durch Biegung, Scher- oder Zugbeanspruchung. Diese mechanischen Belastungen sind in industriellen Herstellungsprozessen kaum vermeidbar. Die Verwendung von Schutzumhüllungen für die Faser - wie in der Kommunikationsanwendung - ist nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil ist, dass der regelmäßige Zellaufbau an der Stelle der Fasereinbringung in gewissem Umfang gestört wird. Dadurch kann das Verhalten an der Faser und in der übrigen Elektrodenfläche voneinander abweichen.

Ein zusätzlicher Nachteil bei der Erfassung des Ladezustandes der Batterie mit Lichtleitfasern ist, dass die Anzahl der eingebrachten Fasern aus Aufwandsgründen eher gering sein sollte.

Typischerweise kann nur eine Faser je Elektrode eingebracht werden. Somit ist nur ein Messwert entlang der Faser erfassbar, welcher mit einer geringen Stichprobe die gesamte Fläche der Elektrode repräsentieren muss. Im Falle einer inhomogenen Elektrode wäre eine lokale Abweichung in einiger Entfernung von der Faser nicht beobachtbar. Eine solche Inhomogenität könnte aber eine Schwachstelle der Zelle bilden, welche eigentlich zu erfassen wäre.

Bekanntes Schrifttum zum Stand der Technik

Nachfolgend sind Patentschriften zusammengestellt, die den Stand der Technik beschreiben. Darauf aufbauend greift die vorgeschlagene Erfindung bestehende Probleme auf und geht dabei über den bekannten Stand der Technik hinaus. Dabei werden zum einen optische Methoden genannt sowie anschließend weitere Verfahren, die ebenfalls die Erfassung zusätzlicher Messgrößen zum Gegenstand haben, jedoch nicht auf optischen Methoden basieren.

Die Patentschrift US20170131357A1 (Patricia Nieva et. al., 2015) befasst sich mit der Bestimmung des Zustandes von Lithium-Ionen-Batterien über Glasfaser-Lichtleiter. Die Erfindung nutzt Glasfaser-Lichtwellenleiter, die für eine industrielle Fertigung erhebliche Nachteile aufweisen. Die Schrift weicht durch die Verwendung von Glasfasern deutlich von der vorgeschlagenen Erfindung ab, die zum Gegenstand hat, eine Lösung ohne Glasfasern anzubieten.

Die Patentschrift US9553465B2 (Ajay Raghavan, PARC Inc., 2014) befasst sich mit Batteriemanagement mittels in die Zelle eingebrachten Glasfaser-Lichtwellenleitern. Die Erfindung nutzt Glasfaser-Lichtwellenleiter, um Gasentwicklung in der Zelle zu detektieren. Sowohl in der messtechnischen Aufgabe als auch in der Verwendung der Glasfaser weicht dies deutlich von der vorgeschlagenen Erfindung ab.

Die Patentschrift US20150280290A1 (Bhaskar Saha, PARC Inc., 2015) befasst sich mit der Erfassung der Interkalationsstufen in Lithium-Ionen-Batterien mittels Glasfaser- Lichtwellenleitern. Auch hier müssen zusätzlich Glasfasern eingebracht werden, auf die in der vorliegenden Erfindung verzichtet wird.

Die Patentschrift US5949219A (Jonathan Weiss, 1998) beschreibt die Erfassung des Ladezustandes mittels Glasfaser-Lichtleitern in Blei- und Lithium-Batterien. In Lithium- Batterien wird dazu die Absorption des Elektrodenmaterials gemessen, indem mehrere Glasfasern in die Zelle eingebracht werden, von denen eine Licht emittiert, welches von den restlichen Fasern nach Wechselwirkung mit der Umgebung zu einem Lichtsensor geleitet wird. Für Bleibatterien wird eine Lösung genannt, die eine Glasfaser, die in eine Glas-Matte gewoben wurde, beinhaltet. Die Matte dient hierbei der Platzierung und Fixierung der lichtleitenden Glasfaser und nimmt nicht am Messprozess teil. In diesem Fall wird also ebenfalls eine lichtleitende Glasfaser verwendet und nicht, wie in der eigenen Lösung vorgeschlagen, der gesamte flächige Separator.

Die Patentschrift US6356478B1 (Jonathan Weiss, 2002) beschreibt einen faseroptischen chemischen Sensor für Bleibatterien. Diese Schrift betrifft die Erfassung des Elektrolytzustandes und nicht der Elektroden. Zudem werden Glasfaser-Lichtwellenleiter eingesetzt. Die Lösungen gemäß dieser Patentschrift sind für Bleibatterien geeignet, sie sind nicht in Lithium-Ionen-Batterien einsetzbar. Die Patentschrift EP3098879A1 (Stephan Leuthner, Calin Wurm, 2015) beschreibt die Erfassung von Zersetzungsprodukten der Kathode. Die Lösung ist nur in der Lage, eine vollständige oder teilweise Zerstörung der Zelle festzustellen, welche bei starker Alterung mit einem zumindest teilweisen Funktionsausfall verbunden ist. Es geht also nicht um die Erfassung des Ladezustandes im regulären Betrieb. Die Lösung nutzt dafür als Ausführungsbeispiel einen optischen Sensor, der wiederum die Verfärbung eines Indikatormaterials erfasst, das mit unerwünscht entstehendem Sauerstoff reagiert. Auch wenn in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein lichtleitender Separator für die Lichtzuführung hin zum Sensor vorgeschlagen wird, wird ausschließlich das Indikatormaterial beobachtet. Im Detail kommt noch die Notwendigkeit eines gesonderten Indikatorstoffes (z.B. Indigo, Leukomethylenblau bzw. Luminol) hinzu, der mit dem im Fehlerfall entstehenden Sauerstoff reagiert. Damit ist diese Patentschrift sowohl in der Aufgabe als auch in der technischen Umsetzung von den Vorschlägen der eigenen Erfindung zu unterscheiden.

Die Patentschrift EP2883260B1 (James Dvorsky, Steven Rissner, 2013) beschreibt eine Möglichkeit für die Meldung des Auftretens von Dendriten in Lithium-Ionen-Batterien. Diese Dendritenbildung erfolgt nicht im üblichen Batteriebetrieb, sondern ist ein Symptom schwerer Schädigung der Batteriezelle. Damit wird wie in der vorherigen Schrift sich die Aufgabe gestellt, einen Zustand der besonderen Alterung bis hin zum Funktionsausfall zu melden. Es wird dazu eine Messung der Lichtdurchlässigkeit des Separators vorgeschlagen. Im Detail unterscheidet sich diese Messung dadurch, dass keine flächige Erfassung von Effekten erfolgt, sondern nur die punktweise entstehenden Dendriten gewissen Einfluss auf die Lichtleitung durch den Separator haben. Dabei wird ausgenutzt, dass der Separator an den Stellen der Dendriten beschädigt oder zerstört wird.

Dies liegt bei der eigenen Lösung nicht vor. Hier geht es um den gewöhnlichen Batteriebetrieb, in dem der Separator nicht beschädigt ist. Damit unterscheidet sich diese Schrift in drei Aspekten von der vorliegenden Erfindung (i) Zunächst ist die Aufgabe deutlich unterschiedlich: die genannte Veröffentlichung will lediglich eine untypische kritische Situation melden. Die vorliegende Erfindung hingegen will eine Ladezustandsüberwachung als reguläre Wertmessaufgabe des Batteriemanagements kontinuierlich durchführen (ii) Weiterhin betrifft die genannte Veröffentlichung die Erfassung eines punktuellen Effektes einzelner auftretender Dendriten. Die vorliegende Erfindung will einen flächigen Effekt der gesamten Elektrodenoberfläche erfassen (iii) Zudem sind die Lösungen der genannten Schrift durch das Eindringen der Dendriten in die Separatorschichten mit irreversiblen Veränderungen dort verbunden. Diese irreversible und einmalige Funktionsweise unterscheidet sich von der vorliegenden Erfindung dadurch, dass hier eine voll reversible Wirkungsweise vorliegt, insbesondere dadurch, dass der Separator nicht beschädigt wird.

Die Patentschrift DE102014218277A1 (Jean Fanous, Martin Tenzer, 2014) beschreibt einen Separator, der eine elektrisch leitfähige Schicht einschließt, mit dem Ziel ein Dendritenwachstum zu detektieren. Dazu befindet sich die elektrisch leitende Schicht des Separators im normalen Betriebszustand nicht im elektrischen Kontakt mit den Elektroden. Bei Dendritenwachstum wird die normale Separatorschicht zerstört und ein Kurzschluss mit dem elektrisch leitfähigen Teil erzeugt, der durch einen separaten elektrischen Kontakt detektiert werden kann. In dieser Schrift findet keine optische Messwerterfassung statt, ebenso keine Erfassung des Ladezustandes.

Die Patentschrift US20090104510A1 (Ricardo Fulop, 2008) beschreibt eine Batteriezustandsüberwachung mittels einer in die Zelle eingebrachten Referenzelektrode. Es werden zwar Messfühler in die Batterie eingebracht, es erfolgen jedoch keine optischen Messungen.

Die Patentschrift W02006077519A1 (Peter Notten, 2006) befasst sich mit Druck- und Deformationsmessungen in Batteriezellen. Es werden keine optischen Messungen durchgeführt. Die Patentschrift W02004047215A1 (Karl-Ragmar Riemschneider, 2003) beschreibt ein drahtloses Batteriemanagementsystem. Diese Lösung nutzt zwar Elektronik für die Zellüberwachung, gewinnt ihre Daten jedoch ausschließlich über elektrische Messungen.

Die Patentschrift US5667538A (John C. Bailey, 1991) beschreibt eine optische Darstellung des Ladezustandes. Die Zustandserfassung erfolgt ausschließlich über elektrische Messungen, lediglich die Darstellung des Zustandes erfolgt optisch.

Aufgabe und Lösungsvorschlag der Erfindung

Ausgehend vom geschilderten Stand der Technik sollen optische Messprinzipien für die Bestimmung des Ladezustandes für industriell gefertigte Zellaufbauten eingesetzt werden. Dabei sollen die vorgenannten Nachteile überwunden werden.

Für die Erfindung stellen sich daher die folgenden Aufgaben. Sie soll im industriellen Herstellungsprozess der Zellen stabil und mit wenig Aufwand umsetzbar sein. Sie soll keine erhebliche Abweichung des Zellaufbaus im aktivem Bereich der Elektroden erfordern und damit nahezu keine Veränderung des Batterieprozesses bewirken. Sie soll möglichst großflächig die optischen Effekte an den Elektroden erfassen, um daraus den Ladezustand zu bestimmen.

Die Erfindung hat zum Ziel die genannten Aufgaben dadurch zu lösen, dass der zwischen den Elektroden platzierte Separator zur Lichtleitung genutzt wird und auf Lichtleitfasern verzichtet wird. Der Separator berührt beidseitig die jeweiligen Elektrodenoberflächen der Anode und der Kathode. Dabei erfolgt die optische Wechselwirkung großflächig. Der Schichtaufbau der Zelle und das für die lonenspeicherung genutzte Aktivmaterial bleibt dabei unverändert. Es sind keine Lichtleitfasern in der Zelle erforderlich. Am Separator muss eine Einkopplung des Lichtes erfolgen. Dazu kann eine umschlossene Lichtquelle wie beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) genutzt werden. Die Einkopplung kann an der Stirnseite oder großflächig erfolgen. Bei letzterem kann vorteilhaft ein Prisma eingesetzt werden. In vergleichbarer Weise kann die Auskopplung des Lichtes erfolgen und mit einem Lichtsensor erfasst werden.

Die flächige Wechselwirkung bezieht sich hierbei auf eine Wechselwirkung an den Grenzflächen zwischen dem Separator und mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Zudem ist die Wechselwirkung von der lokalen Lichtleistung im Separator abhängig, die Wechselwirkung wird über der Flächenintegral erfasst. Mit der technisch möglichen Messauflösung werden optische Effekte an mindestens 10% der gesamten Separator- Elektroden-Grenzfläche abgedeckt. Typischerweise ist der erfassbare Wechselwirkungsbereich der Grenzflächen aber größer als 50% bis hin zu über 90%. Der Bereich kann daher als großflächig bezeichnet werden.

Durch die Erfassung des von einer Einkopplung in den Separator bis zu einer Auskopplung durchgeleiteten Lichtes ist der Umfang der Wechselwirkung mit dem Elektrodenmaterial messbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Für die vorgeschlagene Lösung kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass bereits viele gebräuchliche Separatormaterialien transparent oder transluzent sind. Damit haben sie zumindest partiell lichtleitende Eigenschaften. Diese Eigenschaft wird im Allgemeinen durch die Benetzung mit dem Elektrolyten noch verbessert. Durch die Wahl eines Separatormaterials mit geeignetem Brechungsindex gegenüber dem Elektrolyten kann das Ausbrechen des Lichtes beeinflusst werden. Damit kann der Verlust des eingekoppelten Lichtes im Verhältnis zur Strecke der Durchleitung eingestellt werden.

Separatoren werden in der Regel dahingehend optimiert, dass sie eine sichere elektrische Trennung der Elektroden gewährleisten, jedoch auch gute lonenleitung ermöglichen. Ein günstiger lonendurchtritt wird durch eine hohe Porosität oder eine gewebte und durchlässige Struktur erreicht. Insbesondere durch die zahlreichen Poren des Separatormaterials tritt das eingeleitete Licht durch Streuung, Reflexion und Beugung aus dem Bereich des Separators aus. Das fördert die intensive und großflächige Wechselwirkung mit den umgebenden Elektrodenoberflächen. Damit ist dies für die Ausprägung des messtechnisch genutzten Effektes wünschenswert.

Andererseits wirkt die Porenstruktur der Lichtleitung zwischen Lichtquelle und Lichtsensor entgegen. Dies kann über längere Strecken zu unerwünscht hohen Verlusten der Lichtleistung führen. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann die Lichtleitung des Separators bzw. der Separatorfolie partiell verbessert werden. So können lichtleitende Linienstrukturen oder schmale Streifen im Separator erzeugt werden. Diese weisen für einen schmalen, linienartigen Bereich eine reduzierte Porosität auf. Damit kann das eingeleitete Licht von der Quelle aus in der Fläche des Separators weitgehend gleichmäßig verteilt werden.

Ebenso kann das Licht aus der Fläche an den Sensor geführt werden. Geeignet sind beispielsweise baumartige Verzweigungen für die zu- und ableitende Linienstruktur oder Streifen mit verringerter Porosität. Diese können so angeordnet sein, das zwischen ihnen nur geringe Strecken im Separator durchleuchtet werden. Insgesamt bleibt die Porenanzahl des Separators nahezu gleich. Ausgleichend für die Linien mit verringerter Porenzahl kann die Porosität in den übrigen, wesentlich größeren Flächen, geringfügig erhöht werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante betrifft die Herstellung der vorgenannten Linienstrukturen. Für viele als Separator gebräuchliche Polymerfolien ist es durch eng begrenzte Wärmebehandlung möglich, lichtleitende Linienstrukturen durch lokal stark begrenztes Anschmelzen herzustellen. Dies kann mit erhitzten Stempelformen für die Linien oder durch räumlich eng begrenztes Laserlicht geschehen.

Eine Reihe von weiteren Ausführungsvarianten ist vorteilhaft. So ist die Verwendung kostengünstiger mehrfarbiger Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen zu nennen. Die Lichtsensoren können als Fotodiode, Fotowiderstand oder Fototransistor realisiert werden. Auch integrierte Bauformen der Lichtsensorik als Teil eines Silizium-Chips in Kombination mit weiteren Funktionseinheiten sind für die Lichterfassung vorteilhaft.

Die Steuerung der Lichtquellen und die Auswertung der Lichtsensoren kann vorteilhaft mit einer Mixed-Signal-Schaltung in Kombination mit einem Mikrocontroller erfolgen.

Beschreibung der Zeichnungen

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a und 1b: Schematische Beispiele für die Anwendung in verschiedenen Batteriezellentypen.

Fig. 2: Ein Ausführungsbeispiel für eine Batteriezelle mit gewickeltem Aufbau.

Fig. 3a bis 3d: Beispiele für die Position der Lichtquellen und Lichtsensoren. Fig. 4: Eine Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes.

Fig. 5: Eine weitere Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes.

Fig. 6: Ein Ausführungsbeispiel mit Separatorbereichen unterschiedlicher Porosität.

Fig. 7: Ein Ausführungsbeispiel mit einer fluoreszierenden Komponente am Separator.

Fig. 8: Die Verwendung von mehreren Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen.

Fig. 9: Die Verwendung von mehreren Lichtsensoren für unterschiedliche Wellenlängenbereiche.

Fig. 10 Eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 11 Eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Grundlage mehrerer Wellenlängen.

Fig. 12 Eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Grundlage einer Multiplexmessung.

Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen

Die Zeichnungen Fig. 1a und 1b dienen der Verdeutlichung des grundlegenden Lösungsvorschlags der Erfindung.

Die Zeichnung Fig. 1a zeigt schematisch den Einsatz der Erfindung an einer Pouchzelle oder einer prismatischen Zelle. Es wird dort grafisch vereinfacht nur eine gefaltete Schichtlage dargestellt. Von der/den Lichtquelle(n) 100 wird Licht 129 mit einem Einkopplungselement 102 in den Separator bzw. die Separatorfolie 103 eingebracht. Diese Separatorfolie befindet sich zwischen der positiven Elektrode bzw. Elektrodenfolie 106 und der negativen Elektrode bzw. Elektrodenfolie 108. Nachdem das Licht eine Strecke im Separator zurückgelegt hat, wird dieses Licht 130 mit einem Auskopplungselement 110 wieder ausgekoppelt und mindestens einem Lichtsensor 111 zugeleitet. Auf dieser Strecke ist eine optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektroden 106 bzw. 108 erfolgt. Durch diese Wechselwirkung wird die ausgekoppelte Lichtleistung beeinflusst. Diese veränderliche Leistung wird am Lichtsensor 111 messtechnisch erfasst und steht in Beziehung zum Ladezustand der Elektroden, welcher bestimmt werden soll.

Die Zeichnung Fig. 1b zeigt schematisch den Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung an einer Rundzelle, in der die Schichtlagen gewickelt sind. Die Komponenten und Bezugszeichen entsprechen der Fig. 1 a. Hier wird das Licht an einer Stirnseite flächig in den gewickelten Separator eingekoppelt. Dazu folgt das Einkopplungselement der Wicklung als Formgebung. Das Auskopplungselement befindet sich an der anderen Stirnseite. Es ist ebenfalls so ausgeführt, dass eine Auskopplung aus der Fläche erfolgt. Hierzu ist gleichfalls ein Auskopplungselementvorgesehen, das der Wicklung in der Form folgt.

Die Zeichnung Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel an einer Zelle mit gewickelten Schichtlagen. Von der/den Lichtquelle(n) 200 wird an einem Wicklungsende der Separatorfolie 203 das Licht 229 mit einem Einkopplungselement 202 in die Separatorfolie eingebracht. Diese Separatorfolie befindet sich in einer mehrlagigen Wicklung zwischen der positiven Elektrodenfolie 206 und der negativen Elektrodenfolie 208. Das Licht folgt der Wicklung von außen ins Zentrum der Wicklung. Auf dieser Strecke erfolgt eine optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen 206 bzw. 208. Der Separator und die Elektroden sind mit zunehmender Wicklung stärker gekrümmt. Durch diese Krümmung wird die Wechselwirkung verstärkt. Im Zentrum befindet sich ein stabförmiges Auskopplungselement 210. Hier wird das verbleibende Licht ausgekoppelt 230 und mindestens einem Lichtsensor 211 zugeführt. In einer Variation dieses Ausführungsbeispiels kann die Position von Lichtsensor und Lichtquelle getauscht werden. Dann durchläuft das Licht die Wicklung von innen nach außen. Die Wechselwirkung ergibt sich in vergleichbarer Weise.

Die Zeichnungen Fig. 3a, 3b, 3c und 3d zeigen verschiedene Positionen von Lichtquellen 300 und Lichtsensoren 311 im Aufbau einer Zelle mit gewickelten Schichtlagen. Die schematische Darstellung blickt auf die Stirnseite der Wicklung. Im Einzelnen sind folgende Komponenten dargestellt: Lichtquelle 300, einzukoppelndes Licht 329, Separator bzw. Separatorfolie 303, positive und negative Elektroden bzw. Elektrodenfolien 306 bzw. 308, alle von der Stirnseite betrachtet, ausgekoppeltes Licht 330 und Lichtsensor 311.

Die Zeichnung Fig. 3a zeigt eine Anordnung, in der das Licht von der Außenseite der Wicklung eingeleitet wird und im Zentrum messtechnisch erfasst wird.

Die Zeichnung Fig. 3b zeigt eine Anordnung, in der das Licht im Zentrum der Wicklung eingeleitet wird und an der Außenseite messtechnisch erfasst wird.

Die Zeichnung Fig. 3c zeigt eine Anordnung, in der das Licht von der Außenseite der Wicklung eingeleitet wird, durch das Zentrum geleitet wird und wiederum an der Außenseite messtechnisch erfasst wird.

Die Zeichnung Fig. 3d zeigt eine Anordnung, in der das Licht im Zentrum der Wicklung eingeleitet wird, zur Außenseite der Wicklung geleitet wird, dort zurück zum Zentrum geführt wird und wiederum im Zentrum messtechnisch erfasst wird. Letztere Position kann vorteilhaft den fertigungstechnisch bedingten zylindrischen Hohlraum in einer gewickelten Zelle ausnutzen. Dort können beispielsweise auch Ein- und Auskopplungselemente und Lichtdiffusoren zur gleichmäßigen und flächigen Verteilung des ein- und auszukoppelnden Lichtes in die Separatorfolie platziert werden. Gleiches gilt für eine kompakte Auswerteelektronik.

Die Zeichnung Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung für die Ein- und Auskopplung des Lichtes als Ausführungsbeispiel. Das Licht 429 von der/den Lichtquelle(n) 400 wird einem Prisma 402 zugeführt. Dort wird es nach den bekannten Brechungsgesetzen des Prismas im Strahlwinkel so beeinflusst, dass eine effektive Einkopplung in den flächigen Separator 403 erfolgt. Das Licht breitet sich dann in der Fläche des Separators gerichtet aus 412. Nach dem Durchlauf durch diese Fläche und der Wechselwirkung mit mindestens einer der anliegenden Elektroden 406 und 408 wird das Licht 430 mit einem Prisma 410 ausgekoppelt. Hier wird der Strahlwinkel aus der Fläche zum Lichtsensor 411 gerichtet. Diese Ein- und Auskopplung mit Prismen hat den Vorteil, dass die Verluste zwischen Lichtquelle und Separator bzw. Separator und Lichtsensor gering sind und vergleichsweise große Flächen und Winkelbereiche in der Konstruktion zuzulassen sind. Dies ist vorteilhaft gegenüber einer direkten Einkopplung in die flachen Stirnbereiche des Separators bzw. der Separatorfolien. Die Prismen können auch nach dem Fresnel-Prinzip gestaltet werden. Sie können auch als Verformung des Separators ausgebildet werden oder mehrere Separatorschichten mit einer Prismenstruktur umfassen. Prismen können auch separat ausschließlich für die Einkopplung oder ausschließlich für die Auskopplung zum Einsatz kommen. Die Gehäuse der Lichtquellen und -sensoren können so ausgeformt werden, dass sie bereits selbst passende Prismenstrukturen aufweisen.

Die Zeichnung Fig. 5 zeigt eine weitere schematische Anordnung für die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes. Insbesondere wird ein mehrfacher Schichtaufbau aus Separator 503, Elektrodenfolien aus positivem Aktivmaterial 506 und negativem Aktivmaterial 508 und Stromableitern für die positive Elektrode 507 und für die negative Elektrode 509 gezeigt. Hier wird das Licht 529 aus mindestens einer Lichtquelle 500 den Einkopplungselementen 502 zugeführt. Diese Einkopplungselemente 502 sind aus dem Separatormaterial geformt und aufgeweitet, so dass sie ein mehrfaches der Separatorstärke aufweisen. Auf diese Weise kann nahezu die gesamte Höhe des Schichtaufbaus bzw. die gesamte Stirnfläche eines gewickelten Schichtaufbaus zur Einkopplung genutzt werden. Nach dem Durchlauf und der Wechselwirkung des Lichtes mit mindestens einer der anliegenden Elektrodenoberflächen 506 und 508 kann in vergleichbarer Weise eine Auskopplung des Lichtes unterstützt werden. Hierzu haben die Auskopplungselemente 510 ebenfalls eine Aufweitung. So kann ebenfalls nahezu die gesamte Höhe des Schichtaufbaus zur Auskopplung genutzt werden. Anschließend wird das ausgekoppelte Licht 530 vom Lichtsensor 511 erfasst. Gleiches gilt für die Stirnseiten von Wickelaufbauten. Technologisch vorteilhaft kann die Umformung für die Ein- und Auskopplungselemente 502 bzw. 510 thermisch erfolgen. Bei der Aufweitung können auch konische Prismen oder Mikrolinsenstrukturen geformt werden. Diese können in Lochstrukturen der elektrischen Zusammenfassung und Ableitung aus den Stromableiterfolien platziert werden.

Es sei angemerkt, dass auf einer Seite des Separators die Einkopplung bzw. Auskopplung gemäß der in Fig. 4 beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, während auf der anderen Seite des Separators die die Einkopplung bzw. Auskopplung gemäß der in Fig. 5 beschriebenen Ausführungsform verwendet wird.

Die Zeichnung Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Separatorbereichen unterschiedlicher Porosität. Die Porosität bezeichnet dabei das Volumenverhältnis von Separatormaterial und nicht gefüllten Hohlräumen. Sie kann näherungsweise über Dichtemessungen (Verhältnis Masse zu Volumen) bestimmt werden. Die Porosität kann beispielsweise durch eine zumindest an einer Oberfläche des Separators vorgesehene offenzeilige Struktur eingestellt werden. Eine größere Porosität liegt dann vor, wenn das Verhältnis von offenzeilig zugänglichen Volumina im Separatorkörper, oder durch Oberflächenrauhigkeit geschaffene Volumina an entweder dem Separatorkörper oder den Elektrodenflächen in Bezug auf das Gesamtvolumen des Separatorkörpers größer ist.

Separatorwerkstoffe haben typischerweise eine hohe Porosität, um den Elektrolyten in den Poren aufzunehmen und damit die lonenleitfähigkeit sicherzustellen. Eine hohe Porenzahl führt zu intensiven Lichtstreu ungs- und -beugungseffekten. Diese Effekte tragen einerseits zur Förderung der Wechselwirkung bei, andererseits führen sie zu starken Lichtverlusten. Diese Verluste können die praktisch nutzbare Strecke, die das Licht durchlaufen kann, begrenzen. Wird diese nutzbare Strecke überschritten, sind die am Sensor verbleibenden Lichtleistungen messtechnisch ungünstig und schwer vom thermischen Rauschen zu trennen.

Es wird daher vorgeschlagen, den Separator mit Bereichen auszustatten, in denen die Porenzahl reduziert ist, was als geringere Porosität zu verstehen ist. In diesen verlustarmen Bereichen kann das Licht größere Strecken zurücklegen.

Insbesondere ist eine kammartige Formgebung dieser Bereiche mit niedriger Porosität möglich. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Lichtquellen 600, aus denen Licht 629 mit Hilfe eines Einkopplungselementes 602 in die Bereiche niedriger Porosität der Separatorfolie 604 eingeleitet wird. In diesen Bereichen wird das Licht linienartig in die Separatorfläche mit hoher Porosität 605 verteilt, um dort auf vergleichsweise kurzen Strecken 612 in optische Wechselwirkung mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen zu treten. Aus diesem Bereich wird das durchtretende Licht wieder in Strukturen mit niedriger Porosität 604 aufgenommen und an ein Auskopplungselement 610 weitergeleitet.

Von dort wird das ausgekoppelte Licht 630 in mindestens einem Lichtsensor 611 erfasst. In vielen Separatorwerkstoffen, insbesondere thermoplastischen Polymeren, sind die Bereiche mit niedriger Porosität günstig durch lokale Erwärmung herzustellen. In einer typischen Ausführungsform sind die verlustarmen Bereiche nur als schmale Linienstrukturen mit sehr geringem Flächenanteil auszuführen, damit die gewünschte Porosität des gesamten Separators nicht grundsätzlich verloren geht. Diese thermische Behandlung kann so kurzzeitig erfolgen, dass die Oberfläche einen niedrigeren Brechungsindex als das innenliegende Kernmaterial des Separators bekommt. Dies bewirkt nochmals eine Verringerung der Transmissionsverluste in den Bereichen niedriger Porosität.

Die Zeichnung Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer fluoreszierenden Komponente am Separator. Die Lichtquelle 700 koppelt zunächst Licht 729 eines bestimmten Wellenlängenbereichs über ein Prisma 702 in die Separatorfolie 703 ein. Beim Durchlaufen des Separators tritt es in Wechselwirkung mit dem umgebenden Material der positiven Elektrode 706 und/oder der negativen Elektrode 708. Nach dem Durchlaufen des Separators wird das Licht vom Separator in ein fluoreszierendes Material 714 geführt. Dort wird ein Teil des transmittierten Lichtes absorbiert und tritt vorzugsweise in einem anderen Wellenlängenbereich aus. Dieses Licht durchläuft den Separator und tritt am auskoppelnden Prisma 710 aus. Die vor- und rücklaufende Lichtausbreitung ist schematisch dargestellt 712 und 713. Mithilfe eines Wellenlängenfilters 715 wird die Fluoreszenzantwort vom Licht der ursprünglichen Lichtquelle 700 getrennt. Ein Lichtsensor 711 erfasst die transmittierte Lichtleistung des ausgekoppelten Lichtes 730 nach der Wechselwirkung. Mit Hilfe der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche von Ein- und Ausstrahlung wird eine unerwünschte Sättigung des Lichtsensors 711 vermieden, so dass er räumlich nah an der Lichtquelle 700 platziert werden kann.

Die Zeichnung Fig. 8 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, um durch Referenzwertbildung und damit erfolgende Vergleichsrechnung die Quereinflüsse anderer Größen wie Temperatur und Druck auf die Bestimmung des Ladezustandes zu vermindern. Gleichzeitig sollen systematische Messfehler wie schwankende Leistung der Lichtquelle infolge einer Alterung oder einer instabilen Stromversorgung kompensiert werden. Ähnliches gilt für Einflüsse auf die absolute Empfindlichkeit des Lichtsensors. Die absolute Lichtleistung kann auch durch Langzeitveränderung aller lichtführenden Komponenten verändert werden. Daher wird vorgeschlagen, mehrere Lichtquellen 800 und 801 zu nutzen. Diese Quellen haben eine unterschiedliche spektrale Charakteristik, bei der ein deutliches Maximum der abgestrahlten Lichtleistungen Pin 1 und Pin2 bei verschiedenen Wellenlängen lambda liegt. Diese Charakteristik ist schematisch in den Diagrammen 817 und 818 dargestellt. Die Lichtquellen werden im Zeitmultiplex mithilfe eines elektronischen Umschalters 819 so betrieben, dass sie in bestimmten Phasen eines Zyklus eingeschaltet und in anderen Phasen ausgeschaltet sind. Von den Lichtquellen wird das Licht 829 in den Separator 803 eingekoppelt. Das Licht durchläuft die Batteriezelle 831 und tritt dort in die Wechselwirkung mit den Elektrodenoberflächen. Das ausgekoppelte Licht 830 wird von mindestens einem Lichtsensor 811 mit spektral breitem Erfassungsband, welches die Maxima der Charakteristik der Lichtquellen einschließt, erfasst. Der Ausgangswert des Lichtsensors 811 wird in speichernden Elementen 822 bzw. 823 zwischengespeichert. Die Auswahl 820 des jeweiligen speichernden Elementes wird synchron 821 mit der Einschaltphase einer der Lichtquellen gesteuert. Damit werden die Transmissionsleistungen Poutl und Pout2 der jeweiligen Lichtquellen getrennt erfasst. Von Vorteil ist dies insbesondere, wenn der Ladezustand der Elektroden eine unterschiedliche spektrale Verteilung der durchtretenden Lichtleistung bewirkt. Dieses ist in den Diagrammen 825 und 826 schematisch dargestellt. Die gestrichelte Linie symbolisiert beispielsweise den geladenen Zustand und die durchgehende Linie den entladenen Zustand. Mithilfe einer Vergleichsrechnung 824 der zwischengespeicherten Werte von Poutl und Pout2, insbesondere mithilfe der Division, kann ein von der absoluten Lichtleistung weitgehend unabhängiger Wert X ermittelt werden. Dieser Ausgangswert X ist schematisch im Diagramm 827 dargestellt. Die Vergleichsrechnung wird so parametrisiert, dass sich ein möglichst eindeutiger, z. B. linearer, Zusammenhang zwischen dem Ladezustand (State of Charge), und dem Ausgangswert X ergibt. In der Zeichnung Fig. 8 werden aus Übersichtsgründen zwei Lichtquellen und ein Lichtsensor dargestellt, die sinngemäße Erweiterung auf mehr als zwei Lichtquellen sowie die Verwendung und vergleichende Signalauswertung von mehr als zwei Lichtsensoren soll hierdurch nicht beschränkt werden.

Die Zeichnung Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Lichtsensoren, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche erfassen sollen. Dabei wird das aus der Lichtquelle 900 abgestrahlte Licht 929 in den zwischen den Elektroden angeordneten Separator 903 innerhalb der Batteriezelle 931 eingekoppelt. Dort erfolgt die zu erfassende Wechselwirkung. Das Licht wird aus dem Separator ausgekoppelt 930 und zwei Wellenlängenfiltern zugeführt 915 bzw. 916. Diese Filter können vorteilhaft aus farbig transparentem Material gebildet werden. Die Filter können als Prismenanordnung ausgeführt werden, welche verschiedene Spektralbereiche unterschiedlichen Abstrahlwinkeln zuordnet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von verschiedenen Mikrogittern. Hier können Zeilen- oder Array- Strukturen mit mehreren Lichtsensor-Elementen verwendet werden. In den nachgelagerten Lichtsensoren 911 werden nach Spektralbereichen separierte Ausgangsleistungen ermittelt. Diese können optional integriert oder aufsummiert werden 932 und 933, damit Rauscheinflüsse reduziert werden. Die Ausgangswerte 934 und 935 werden einer Vergleichsrechnung 924 unterzogen, um einen Ausgangswert 928 zur Indikation des Ladezustandes zu erhalten, der weniger von der absoluten Transmission des gesamten Spektrums abhängt. Dabei ist von Vorteil, dass die Quereinflüsse stark auf die absolute Transmission einwirken und im Wesentlichen wellenlängenunabhängig sind. Gleiches gilt für Leistungsschwankungen der Lichtquellen und weitere Alterungseffekte. In der Zeichnung Fig. 9 werden nur eine Lichtquelle und zwei Lichtsensoren dargestellt, die sinngemäße Erweiterung auf mehr als eine Lichtquelle sowie die Verwendung und vergleichende Signalauswertung von mehr als zwei Lichtsensoren ist hierdurch nicht beschränkt. Eine Kombination der Verfahren gemäß Zeichnung Fig. 8 und Zeichnung Fig. 9 kann vorteilhaft sein.

Die Zeichnung Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm für die Bestimmung des Ladezustands der Batterie mittels Lichtleitung durch den Separator. Dabei laufen die folgenden Schritte ab. Zuerst erfolgt eine Erzeugung 1040 des Lichtes aus einer Lichtquelle, dann eine Einkopplung 1041 in den Separator. In diesem geschieht eine Durchleitung und Wechselwirkung 1042 des Lichtes mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Nach der Auskopplung 1043 des Lichtes aus dem Separator, erfolgt die messtechnische Erfassung 1044 der Lichtleistung. Diese wird zur Bestimmung des Ladezustandes 1045 der Batteriezelle genutzt.

Die Zeichnung Fig. 11 zeigt ein weiteres Flussdiagramm für die Bestimmung des Ladezustandes der Batterie mittels Lichtleitung durch den Separator. Dabei wird eine Vergleichsrechnung verschiedener Lichtleistungen verwendet. Es erfolgt die Erzeugung von Licht 1140 mit einer Lichtquelle, die vorteilhaft breitbandig ist. Anschließend erfolgt die Einkopplung 1141 in den Separator. Hier erfolgt die Lichtausbreitung und Wechselwirkung 1142 des Lichtes mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Danach folgt die Auskopplung 1143 aus dem Separator. Dem sind verschiedene Wellenlängenfilter 1146 nachgeordnet. Vorteilhaft wird hierbei ein Filter je Lichtsensor verwendet. Die Erfassung der Lichtleistungen 1144 in Abhängigkeit der Wellenlänge erfolgt damit. Eine Vergleichsrechnung 1147 von mindestens zwei Lichtleistungen für verschiedene Wellenlängenbereiche erfolgt im Anschluss und dient zur Bestimmung des Ladezustandes 1145. Dieser Vergleich bietet vorteilhaft auch die Möglichkeit zur Verringerung von Quereinflüssen oder Exemplarstreuung der Messkomponenten, da die bestimmte Kenngröße relativen und nicht mehr absoluten Charakter besitzt.

Die Zeichnung Fig. 12 zeigt ein weiteres Flussdiagramm für die Bestimmung des Ladezustandes der Batterie mittels Lichtleitung durch den Separator. Dabei wird eine weitere vorteilhafte Variante der Vergleichsrechnung verschiedener Lichtleistungen verwendet. Es erfolgt die Erzeugung von Licht 1240 mit mindestens zwei Lichtquellen, die unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen. Sie werden jeweils für getrennte Zeitspannen separat eingeschaltet. Die Zeitspannen werden von einer Synchronisiereinheit 1248 gesteuert. Anschließend erfolgt die Einkopplung 1241 in den Separator. Hier erfolgt die Lichtausbreitung und Wechselwirkung 1242 des Lichtes mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen. Danach folgt die Auskopplung 1243 aus dem Separator. Die Erfassung des Lichts 1244 erfolgt dabei mit einem Lichtsensor. Dieser ist vorteilhaft so breitbandig sensitiv, dass alle Wellenlängenbereiche der Lichtquellen hinreichend detektiert werden. Für jede der Zeitspannen in der eine Lichtquelle eingeschaltet wird, erfolgt eine separate Speicherung 1249 der Ausgangswerte des Lichtsensors. Die zeitliche Steuerung erfolgt in Übereinstimmung mit dem Einschalten der Lichtquellen ebenfalls durch die Synchronisiereinheit 1248. Eine Vergleichsrechnung 1247 von mindestens zwei gespeicherten Ausgangswerten erfolgt im Anschluss und dient zur Bestimmung des Ladezustandes 1245.

Liste der Bezugszeichen

100 Lichtquellen

102 Einkopplungselement

103 Separatorfolie 106 Positive Elektrodenfolie

108 Negative Elektrodenfolie

110 Auskopplungselement

111 Lichtsensor

129 Einzukoppelndes Licht 130 Ausgekoppeltes Licht

200 Lichtquelle

202 Einkopplungselement

203 Separatorfolie

206 Positive Elektrodenfolie 208 Negative Elektrodenfolie

210 Auskopplungselement

211 Lichtsensor

229 Einzukoppelndes Licht

230 Ausgekoppeltes Licht 300 Lichtquelle

303 Separatorfolie

306 Positive Elektrodenfolien

308 Positive Elektrodenfolien

311 Lichtsensor 329 Einzukoppelndes Licht

330 Ausgekoppeltes Licht

400 Lichtquellen

402 Einkopplungselement in Form eines Prismas

403 Separatorfolie 406 Positive Elektrodenfolie

408 Negative Elektrodenfolie

410 Auskopplungselement in Form eines Prismas

411 Lichtsensor

412 Lichtausbreitung in der Separatorfolie schematisch 429 Einzukoppelndes Licht

430 Ausgekoppeltes Licht

500 Lichtquellen

502 Einkopplungselemente aus dem Separatormaterial geformt

503 Separatorfolien 506 Positive Elektrodenfolien

507 Stromableiterder positiven Elektrodenfolien

508 Negative Elektrodenfolien

509 Stromableiterder negativen Elektrodefolien

510 Auskopplungselemente aus dem Separatormaterial geformt 511 Lichtsensor

529 Einzukoppelndes Licht

530 Ausgekoppeltes Licht

600 Lichtquellen

602 Einkopplungselemente 604 Bereiche der Separatorfolie mit niedriger Porosität Bereiche der Separatorfolie mit hoher Porosität

Auskopplungselemente

Lichtsensoren

Lichtausbreitung in der Separatorfolie schematisch Einzukoppelndes Licht Ausgekoppeltes Licht Lichtquelle

Einkopplungselement in Form eines Prismas

Separatorfolie

Positive Elektrode

Negative Elektrode

Auskopplungselement in Form eines Prismas Lichtsensor

Lichtausbreitung in der Separatorfolie vorlaufend schematisch

Lichtausbreitung in der Separatorfolie rücklaufend schematisch

Fluoreszierendes Material

Wellenlängenfilter

Einzukoppelndes Licht

Ausgekoppeltes Licht

Lichtquelle, im Spektrum verschieden von weiterer Lichtquelle 801 Lichtquelle, im Spektrum verschieden von weiterer Lichtquelle 800 Separatorfolie Lichtsensor

Schematisches Spektrum der eingekoppelten Lichtleistung der Lichtquelle 800 Schematisches Spektrum der eingekoppelten Lichtleistung der Lichtquelle 801 Elektronischer Umschalter

Elektronischer Umschalter für die Auswahl des Speichers 822 bzw. 823 Synchronisation der Umschalter 819 und 820

Speicher f. Ausgangswert Lichtsensors 811 bei Einstrahlung durch Lichtquelle 800 Speicher f. Ausgangswert Lichtsensors 811 bei Einstrahlung durch Lichtquelle 801 Vergleichsrechnung der gespeicherten spektralen Lichtleistungen 825 und 826 Schematisches Spektrum der ausgekoppelten Lichtleistung für die Lichtquelle 800 Schematisches Spektrum der ausgekoppelten Lichtleistung für die Lichtquelle 801 Skizze Ergebniss der Vergleichsrechnung 824 als Indikation des Ladezustandes Einzukoppelndes Licht

Ausgekoppeltes Licht nach der Wechselwirkung in der Batteriezelle 831

Batteriezelle

Lichtquelle

Separatorfolie

Lichtsensor zur Lichterfassung nach Wellenlängenfilter 915 Wellenlängenfilter verschieden von weiterem Filter 916 Wellenlängenfilter verschieden von weiterem Filter 915 Vergleichsrechnung der Ausgangswerte 934 und 935 Ergebnis der Vergleichsrechnung 924 zur Indikation des Ladezustandes Einzukoppelndes Licht

Ausgekoppeltes Licht nach der Wechselwirkung in der Batteriezelle 931 Batteriezelle

Verarbeitung der Ausgangsleistung des Lichtsensors 911 Verarbeitung der Ausgangsleistung des Lichtsensors 912 Ausgangswert der Verarbeitung 932 935 Ausgangswert der Verarbeitung 933

1040 Lichterzeugung mittels Lichtquelle

1041 Lichteinkopplung in den Separator der Batteriezelle

1042 Lichtdurchleitung und Wechselwirkung im Separator

1043 Lichtauskopplung aus dem Separator der Batteriezelle

1044 Lichterfassung

1045 Bestimmung des Ladezustandes

1140 Lichterzeugung mittels Lichtquelle

1141 Lichteinkopplung in den Separator der Batteriezelle

1142 Lichtdurchleitung und Wechselwirkung im Separator

1143 Lichtauskopplung aus dem Separator der Batteriezelle

1144 Lichterfassung

1145 Bestimmung des Ladezustandes

1146 Wellenlängenfilter

1147 Vergleichsrechnung aus den erfassten Lichtleistungen

1240 Lichterzeugung mit verschiedenen Lichtquellen

1241 Lichteinkopplung in den Separator der Batteriezelle

1242 Lichtdurchleitung und Wechselwirkung im Separator

1243 Lichtauskopplung aus dem Separator der Batteriezelle

1244 Lichterfassung

1245 Bestimmung des Ladezustandes

1247 Vergleichsrechnung aus den gespeicherten Lichtleistungen

1248 Synchronisiereinheit

1249 Speicherung der erfassten Lichtleistungen

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur messtechnischen Beobachtung eines Ladezustandes von Lithium- lonen-Batteriezellen mit einem optischen Sensorsystem, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen von Licht mit einer Lichtquellenanordnung (1040),

Einkoppeln des Lichtes in einen Separatorder Batteriezelle (1041),

Durchleiten des Lichtes durch den Separator,

Auskoppeln des Lichtes aus dem Separator,

Erfassen des ausgekoppelten Lichtes als Transmissionsleistung (1044), Bestimmen des Ladezustandes der Batteriezelle auf der Grundlage der Leistung des eingekoppelten Lichtes und der erfassten Transmissionsleistung (1045) in Abhängigkeit von einer flächigen Wechselwirkung des eingekoppelten Lichtes (1042) zwischen mindestens einer an den Separator angrenzenden Elektrodenoberfläche mit einem aktiven Elektrodenmaterial und einer Oberfläche des Separators, wobei die Wechselwirkung auf vom Ladezustand abhängigen optischen Eigenschaften des aktiven Elektrodenmaterials der sich flächig berührenden Oberfläche des Separators und der Elektrodenoberfläche beruht und die Wechselwirkung die Oberflächen flächig und einen flächigen Teil der Flächen einschließt.

2. Verfahren nach Anspruchl , wobei das Erfassen der Transmissionsleistung für verschiedene spektrale Bereiche erfolgt und beim Bestimmen des Ladezustandes die Transmissionsleistungen für verschiedene spektrale Bereiche vergleichend ausgewertet werden, wobei ausgenutzt wird, dass die spektralen Reflexionseigenschaften der Elektrodenoberflächen (106 bzw. 108), insbesondere deren Farbe und/oder deren Helligkeitswerte, ladungsabhängig sind.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens eines von dem Einkoppeln (102) des Lichtes (129) und dem Auskoppeln (110) des Lichtes (130) in den bzw. aus dem Separator über eine Oberfläche des Separators (103) mittels Prismen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens eines von dem Einkoppeln (102) des Lichtes (129) und dem Auskoppeln (110) des Lichtes (130) in den bzw. aus dem Separator (103) über eine aufgeweitete Kantenfläche des Separators erfolgt, insbesondere über eine Kantenfläche eines an seinen Kanten verdickten Separators.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei dem Bestimmen des Ladezustandes wenigstens zwei ausgewählte Spektralanteile des ein- bzw. ausgekoppelten Lichtes (129 bzw. 130) nach der Wellenlänge getrennt ausgewertet werden (932, 933) und über vergleichende Referenzierung von Messwerten (924) dieser Spektralanteile dadurch Quereinflüsse anderer physikalischer Größen und systematischer Messfehler auf die Bestimmung des Ladezustandes vermindert werden.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Einkoppeln von Licht ein Einkoppeln von Licht mehrerer Lichtquellen einer Lichtquellenanordnung mit verschiedenen Spektralanteilen der Wellenlängen (800, 801) alternierend einschaltend für eine Zeitspanne im Schaltzyklus, insbesondere im Zeitmultiplex (819, 820, 821) umfasst, wobei das Erfassen des ausgekoppelten Lichtes dazu synchron alternierend (819, 820, 821) durch mindestens einen Lichtsensor (811) einer Lichtsensoranordnung erfolgt, erfasste Sensorwerte separat gespeichert werden (822, 823) und nacheinander erfasste Sensorwerte vergleichend ausgewertet werden (824).

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein an einer Grenzfläche von Separatoroberfläche (103) und Elektrodenoberfläche (106, 108) mit dem durchgeleiteten Licht (712, 713) wechselwirkendes elektrochromes Material für die Erfassung der Reflektionseigenschaften genutzt wird, welches variable optische Eigenschaften in Abhängigkeit der lonenbeladung einer positiven Elektrode der Batteriezelle aufweist.

8. Anordnung eines optischen Sensorsystems zur messtechnischen Beobachtung des Ladezustandes von Lithium-Ionen-Batteriezellen, wobei die Anordnung aufweist: eine Lichtquellenanordnung (100) zum Erzeugen von Licht, einen Separator (103), der zwischen Elektroden (106, 108) einer Batteriezelle platziert ist und dabei Elektrodenoberflächen der Elektroden an mindestens einer Grenzfläche flächig berührt, ein Einkopplungselement (102), welches mit dem Separator (103) verbunden ist zum Einkoppeln von Licht (129) der Lichtquellenanordnung in den Separator (103), wobei an mindestens einer der Grenzflächen zwischen dem Separator und den Elektrodenoberflächen eine Wechselwirkung mit in den Separator eingekoppeltem und durch den Separator durchgeleiteten Licht (712, 713) mit mindestens einer der Elektrodenoberflächen erfolgt, wobei die Wechselwirkung vom Ladezustand abhängt, ein Auskopplungselement (110), welches mit dem Separator (103) verbunden ist, um eine Auskopplung des durchgeleiteten Lichtes (130) nach der Wechselwirkung aus dem Separator (103) vorzunehmen, eine Lichtsensoranordnung (111), um das ausgekoppelte Licht (130) als Transmissionsleistung zu erfassen; und eine Auswertungseinheit, die ausgelegt ist, um die Transmissionsleistung zur Bestimmung des Ladezustandes zu verarbeiten.

9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der Separator (103) als Separatorfolie, insbesondere als flexible Separatorfolie ausgestaltet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei wenigstens eines von dem

Einkopplungselement (102) und dem Auskopplungselement (110) als eine Anordnung mit wenigstens einem Prisma ausgeführt ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei wenigstens eines von dem Einkopplungselement (102) und dem Auskopplungselement (110) als aufgeweitete

Kantenfläche des Separators, insbesondere als Kantenfläche eines an seinen Kanten verdickten Separators ausgeführt ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei die Lichtquellenanordnung mehrere verschiedenfarbige Lichtquellen (800, 801) aufweist, wobei die Anordnung ferner aufweist: einen ersten elektronischen Umschalter (819), welcher ausgelegt ist die verschiedenfarbigen Lichtquellen für eine Zeitspanne im Schaltzyklus, insbesondere im Zeitmultiplex einzuschalten, einen zweiten elektronischen Umschalter (820), welcher ausgelegt ist von der

Lichtsensoranordnung erfasste Werte einer separaten Speicherung zuzuführen, und eine Steuerung (821), die ausgelegt ist den ersten Umschalter (819) und den zweiten Umschalter (820) derart zu synchronisieren, dass erfasste Werte für jede eingeschaltete Lichtquelle separat speicherbar sind (822, 823), wobei die Auswertungseinheit ausgelegt ist, um die gespeicherten Werte nach mindestens einem Schaltzyklus gemeinsam rechnerisch auszuwerten (824).

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Lichtquellenanordnung mindestens eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängenbereichen, insbesondere eine breitbandige Lichtquelle (100) aufweist, die ausgelegt ist Licht mit mehreren Spektralanteilen zu emittieren, wobei die Anordnung ferner aufweist: eine Filteranordnung (915, 916), welche ausgelegt ist das aus dem Separator (103) ausgekoppelte Licht (130) für begrenzte Wellenlängenbereiche, insbesondere Farben, durchzulassen, wobei der Filteranordnung (915, 916) jeweils separate Lichtsensoren (111) der Lichtsensoranordnung nachgeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit ausgelegt ist, Sensorausgangswerte der separaten Lichtsensoren gemeinsam rechnerisch auszuwerten (932, 933, 924).

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Lichtquellenanordnung mindestens eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängenbereichen, insbesondere eine breitbandige Lichtquelle (100) aufweist, die ausgelegt ist Licht mit mehreren Spektralbereichen zu emittieren, wobei die Anordnung ferner aufweist: eine Prismenanordnung (410), welche ausgelegt ist das aus dem Separator (103) ausgekoppelte Licht (130) für einzelne Wellenlängenbereiche, insbesondere Farben, nach Wellenlängenbereichen zu separieren, wobei der Prismenanordnung (410) jeweils separate Lichtsensoren (111) der Lichtsensoranordnung in entsprechenden Austrittswinkeln des Lichtes der verschiedenen Wellenlängen nachgeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit ausgelegt ist, Sensorausgangswerte der separaten Lichtsensoren gemeinsam rechnerisch auszuwerten (932, 933, 924).

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei wenigstens eine der

Komponenten Lichtquellen (100) und Lichtsensoren (111) in einem Zentrum einer Wickelstruktur aus Elektroden und Separator (106, 108, 103) angeordnet ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wenigstens eine der Komponenten Lichtquellen (100) und Lichtsensoren (111) in einem Außenbereich einer Wickelstruktur aus

Elektroden und Separator (106, 108, 103) angeordnet ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei eine Anordnung aus Elektroden und Separator (106, 108, 103) mindestens eine Biegung im Schichtaufbau der Batteriezelle (931) aufweist, die ausgelegt ist, um Licht zusätzlich aus dem Separator (103) zum angrenzenden Elektrodenmaterial austreten zu lassen und damit eine Wechselwirkung mit dem Elektrodenmaterial (106 bzw. 108) zu verstärken.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei der Separator (103) zumindest an der positiven Elektrodenseite (106) mit einem elektrochromen Material beschichtet ist, dessen Reflexionseigenschaften von einer lonenbeladung der positiven Elektrode (106) abhängen.