WO2021175704A1

WO2021175704A1 - Vorrichtung sowie verfahren zur thermischen überwachung einer batterie

Info

Publication number: WO2021175704A1
Application number: PCT/EP2021/054742
Authority: WO
Inventors: Sebastian Kahnt; Daniel ROTHENHÖFER
Original assignee: Leoni Bordnetz-Systeme Gmbh; HELLA GmbH & Co. KGaA
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2021-09-10
Also published as: DE102020202857A1; EP4111520A1

Abstract

Die Vorrichtung dient zur Überwachung einer Batterie (16) zur Vermeidung eines Thermal Runaways. Die Batterie (16) weist mehrere in einem Zellmodul (2) angeordnete Zellen (6) auf, die innerhalb eines Gehäuses (16) unter einer Vorspannung in einer Querrichtung (8) nebeneinander angeordnet sind. Eine Messanordnung (36) ist zur Erfassung einer Ausdehnung zumindest einer der Zellen (6) in Querrichtung vorgesehen und weist mehrere insbesondere kapazitive Sensoren (12) sowie eine Auswerteeinheit (18,34) auf. Die Sensoren (12) sind jeweils zwischen zwei in Querrichtung (8) benachbarte Zellen wirksam und insbesondere zwischen diesen angeordnet und mit der Auswerteeinheit (18,34) verbunden. Eine Ausdehnung einer der Zellen (6) in Querrichtung (8) wird von der Messanordnung (36) erfasst und im Hinblick auf das Übersteigen eines kritischen Wertes für die Ausdehnung überwacht. Der kritische Wert deutet dabei auf ein potenzielles Entstehen eines Thermal Runaways hin. Durch diese Maßnahme ist zuverlässig ein prädiktives Erkennen eines Thermal Runaways ermöglicht.

Description

Beschreibung

Vorrichtung sowie Verfahren zur thermischen Überwachung einer Batterie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur thermischen Über wachung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zur Vermei dung eines sogenannten „Thermal Runaway“.

Bei wieder aufladbaren Batterien, speziell Lithium-Batterien und insbesondere bei Hochvolt-Fahrzeugbatterien, welche für einen elektrischen Fahrantriebsmotor ein gesetzt werden, ist das Problem des sogenannten „Thermal Runaway“ bekannt. Bei diesem handelt es sich um eine exotherme chemische Reaktion innerhalb ei ner Batteriezelle, bei der es aufgrund eines sich selbst verstärkenden und Wärme produzierenden chemischen Prozesses zu einer Überhitzung bis hin zu einer Ex plosion der Zelle oder zu einem Brand kommt. Ein derartiger Thermal Runaway startet innerhalb einer Zelle einer Batterie, beispielsweise aufgrund einer Überlas tung oder eines Kurzschlusses. Übersteigt die dadurch bedingte erhöhte Tempe ratur eine Grenztemperatur, so beginnt der sich selbst verstärkende chemische Prozess, der die Temperatur der Zelle weiter anheizt bis zur Explosion oder zum Brand der Zelle. Dadurch werden auch benachbarte Zellen beeinflusst, die auf grund der höheren Wärme ebenfalls zu brennen beginnen können. Das sich aus breitende Feuer kann sich dann sehr schnell auf die gesamte Batterie und im Falle einer Fahrzeugbatterie auf das Fahrzeug ausbreiten.

Aus der DE 102009034854 A1 sowie der WO 2019 146960 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung eines Ladezustands einer Batterie zu ent nehmen. Die DE 102009034854 A1 sieht hierzu vor, die Änderung mindestens einer nicht elektrischen physikalischen Größe der Batterie als Maßstab für den Ladezustand zu erfassen. Insbesondere wird eine Volumenänderung oder ein sich verändern der Druck erfasst. Hierbei werden insbesondere Lithium-Batterien mit Graphit als aktives Material überwacht, bei denen eine Änderung des Ladezustands zu einer Volumenänderung führt. Zur Erfassung der Volumenänderung ist beispielsweise ein einen Zellstapel begrenzendes Gehäuse mit einer einseitig beweglichen Platte versehen, die eine Elektrode bildet. Bei einer Volumenänderung ändert sich der Abstand zu einer zweiten Elektrode durch Verschieben der beweglichen Platte Eine dadurch hervorgerufene Kapazitätsänderung wird erfasst.

Die WO 2019 146960 A1 beschreibt einen Drucksensor in unterschiedlichen Aus führungsvarianten, welcher außenseitig auf eine Batterie aufgebracht wird und eine Druckänderung aufgrund einer Volumenänderung erfasst.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie, speziell einer wieder auflad baren Batterie (Akkumulator) und insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zur Vermeidung eines Thermal Runaways anzugeben.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten Vorteile und bevor zugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.

Die Vorrichtung weist eine wieder aufladbare Batterie (Akkumulator), insbesonde re eine Lithium-Ionen-Batterie auf, welche mehrere insbesondere quaderförmige Zellen aufweist, die innerhalb eines Gehäuses unter einer Vorspannung in einer Querrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Messanordnung zur Erfassung einer Ausdehnung zumindest einer der Zellen in Querrichtung. Die Messanordnung weist hierzu mehrere insbesondere kapaziti ve Sensoren sowie eine Auswerteeinheit auf. Die Sensoren sind jeweils zwischen zwei in Querrichtung benachbarten Zellen angeordnet und mit der Auswerteeinheit verbunden. Die Messanordnung ist nunmehr derart ausgebildet, dass bei einer Ausdehnung einer der Zellen in Querrichtung durch diese Messanordnung eine Abstandsänderung von den Sensoren und der Auswerteeinheit erfasst wird. Bei der Verwendung von kapazitiven Sensoren wird durch die Abstandsänderung eine Kapazitätsänderung hervorgerufen, die von der Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Mit dieser Messanordnung wird die Batterie im Hinblick auf die Entstehung eines Thermal Runaways überwacht. Sobald eine kritische Ausdehnung bzw. Abstands änderung zwischen zwei benachbarten Zellen detektiert wird, die einen kritischen Wert übersteigt, wobei dieser kritische Wert charakteristisch für das potenzielle Entstehen eines Thermal Runaways ist, so wird eine entsprechende Gegenmaß nahme eingeleitet. D.h. die Messanordnung ist derart ausgebildet, dass bei Über schreiten eines vordefinierten, kritischen Werts auf eine kritische Situation und insbesondere auf ein potenzielles Entstehen eines Thermal Runaway erkannt wird. Eine Gegenmaßnahme besteht beispielsweise darin, die Belastung der Bat terie zu reduzieren oder die Batterie vom restlichen (Bord-)Netz speziell eines Kraftfahrzeugs zu trennen. Die Vorrichtung, speziell die Auswerteeinheit ist insge samt zur Durchführung dieser Schritte ausgelegt und eingerichtet.

Der kritische Wert für die Abstandsänderung ist allgemein größer als eine be triebsübliche Änderung infolge von normalen, betriebsbedingten Temperatur schwankungen innerhalb eines zulässigen Betriebstemperaturbereiches.

Durch diese Maßnahme ist daher insgesamt eine prädiktive Erkennung eines po tenziell entstehenden Thermal Runaways gewährleistet und die Entstehung eines solchen zuverlässig vermieden. Ein besonderer Vorteil der Messanordnung be steht darin, dass durch den insbesondere kapazitiven Sensor jeweils eine indivi duelle Messung zwischen zwei in Querrichtung benachbarten Zellen erfolgt, so- dass also jede Zelle individuell überwacht werden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung.

Die hier betrachteten Batterien, speziell Fahrzeugbatterien, sind derart aufgebaut, dass mehrere Zellen zu einem Zellmodul zusammengefasst sind. Innerhalb eines Zellmoduls sind die einzelnen Zellen typischerweise in Serie miteinander verschal tet, sodass sich die Spannung des Zellmoduls aus der Summe der Spannungen der einzelnen Zellen ergibt. Das Zellmodul selbst weist typischerweise ein Modul gehäuse auf. Die einzelnen in einem Zellmodul zusammengefassten Zellen sind typischerweise innerhalb des Modulgehäuses gegeneinander verspannt gehalten. Es wird also bereits in dem Ausgangszustand ein gewisser Druck auf die Einzel zellen ausgeübt. Hierdurch wird eine möglichst hohe Packungsdichte der einzel nen Zellen und insgesamt ein kompakter Aufbau der Batterie erreicht. Mehrere derartige Zellmodule werden zur Ausbildung der gesamten Batterie wiederum mit einander verschaltet und typischerweise innerhalb eines Batteriegehäuses zu sammengefasst. Die einzelnen Zellmodule sind typischerweise ebenfalls in Serie miteinander verbunden, um die gewünschte Batteriespannung zu erreichen. Je nach Anwendungsgebiet, speziell bei einer Batterie zur Versorgung eines elektri schen Fahrmotors eines Kraftfahrzeug, liegt die Batteriespannung und die ent sprechende Versorgungsspannung für den elektrischen Fahrmotor bei typischer weise mehreren 100 Volt, typischerweise größer 300 Volt und beispielsweise im Bereich zwischen 300 und 1 .000 Volt.

Sofern vorliegend von „Zelle“ gesprochen wird, so ist hierunter sowohl eine einzel ne (galvanische) Einzelzelle zu verstehen, welche eine (einzige) Kathode sowie eine (einzige) Anode und einen dazwischen angeordneten Separator aufweist. Daneben wird unter „Zelle“ ergänzend auch die gemeinsame Anordnung von meh reren derartigen Einzelzellen verstanden, bei der sich also der Schicht-Aufbau Ka thode - Separator - Anode periodisch wiederholt. Werden mehrere derartige Ein zelzellen für den Aufbau einer Zelle herangezogen, so sind die darin enthaltenen Einzelzellen vorzugsweise parallel verschaltet. Die Zelle weist daher die Span nung einer jeweiligen Einzelzelle auf. Eine Einzelzelle weist typischerweise eine Spannung im Bereich von einigen Volt, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 5 Volt auf. Typische Werte für eine Lithium-Einzelzelle liegen - in Abhängigkeit der eingesetzten Materialien - zwischen 2 und 4,5 Volt. Unter „Zelle“ wird vorliegend insbesondere eine Einzelzelle verstanden. Das Gehäuse einer Zelle, nachfolgend auch als Zellgehäuse bezeichnet, besteht beispielsweise aus einem eigensteifen und formstabilen, typischerweise quader förmigen Volumenkörper. Alternativ besteht das Gehäuse der Zelle aus einem fle xiblen Material, beispielsweise aus einer (Metall-)Folie.

Unter „Zellmodul“ wird vorliegend insbesondere ein Zellmodul verstanden, bei dem beispielsweise 4 bis 20, und insbesondere 4 bis 14 Zellen miteinander in Serie verschaltet und angeordnet sind.

Die individuelle Überwachung einer jeweiligen Zelle durch das Messen der Ab standsänderung zwischen zwei in Querrichtung benachbarten Zellen hat den be sonderen Vorteil einer hohen Sensitivität im Hinblick auf eine Fehlfunktion einer individuellen Zelle, d.h. im Hinblick auf ein potenzielles Entstehen eines Thermal Runaways innerhalb einer Zelle. Im Unterschied zu Überwachungssystemen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, bei denen beispielsweise zur Kon trolle des Ladezustands lediglich die Ausdehnung des gesamten Zellmoduls (Ver bund von Zellen) ermittelt wird, ist die Empfindlichkeit deutlich höher. Erst hier durch ist eine zuverlässige und sichere prädiktive Erkennung eines Thermal Runaways vor dessen Entstehung gewährleistet.

In zweckdienlicher Ausgestaltung ist ein jeweiliger Sensor und die Auswerteeinheit zur Erfassung einer Abstandsänderung zwischen zwei Zellen im Bereich zwischen 1pm und 100pm und insbesondere zwischen 1pm und 50pm ausgebildet. Hier durch ist eine hohe Sensitivität gewährleistet und bereits geringste Ausdehnungen infolge einer zunehmenden Temperatur können zuverlässig erfasst werden.

Sofern vorliegend von „Änderung“, beispielsweise eines Messwerts des Sensors oder einer hiervon abgeleiteten Größe, wie zum Beispiel der Abstand, gesprochen wird, so bezieht sich der Begriff „Änderung“ immer auf einen Basis- oder Refe renzwert in einem Ausgangszustand der Batterie. Ein solcher Ausgangszustand ist insbesondere ein lastfreier Zustand bei einer Referenztemperatur insbesondere von beispielsweise 20°. Dieser Referenz- oder Basiswert wird insbesondere durch eine Kalibriermessung erfasst und hinterlegt. Eine derartige Kalibriermessung er- folgt beispielsweise bei jeder einzelnen Batterie oder alternativ lediglich anhand einer Referenzbatterie, zu der die jeweilige Batterie baugleich ist. Speziell wird daher von dem Sensor und/oder der Auswerteeinheit lediglich eine Relativmes sung bzw. Relativänderung vorgenommen/ermittelt, ohne dass eine genaue abso- lute Bestimmung erforderlich ist oder vorgenommen wird.

Der Sensor weist weiterhin in Querrichtung betrachtet eine Dicke im Bereich von 150pm bis 500pm und insbesondere eine Dicke im Bereich zwischen 200 bis 400pm und speziell eine Dicke von 300pm auf. Hierdurch wird der erforderliche Bauraum für das Zellmodul nur geringfügig erhöht und eine kompakte Bauweise ist weiterhin sichergestellt.

Bei den Sensoren handelt es sich vorzugsweise um flächige, kapazitive Sensoren. Die Fläche der Sensoren entspricht dabei beispielsweise mehr als 5%, vorzugs- weise mehr als 20% einer Grundfläche der jeweiligen Zellen, welche senkrecht zur Querrichtung orientiert ist.

In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen je einem Paar an Zellen jeweils ein Sensor angeordnet, so dass zwischen jedem Zellpaar ein Sensor angeordnet ist. Allgemein wird also mithilfe der Messanordnung der Abstand jeweils zwischen zwei benachbarten Zellen eines Zellmoduls überwacht.

Allgemein ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, die Messwerte, also speziell die (Kapazitäts-)Änderungen der verschiedenen Sensoren miteinanderzu verglei- chen. Weiterhin ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, diese Messwerte der Sensoren im Hinblick auf eine ungleichmäßige Änderung (gegenüber dem er wähnten Basiswert) zu überwachen, wobei eine ungleichmäßige Änderung der Messwerte als ein Übersteigen des kritischen Wertes gewertet wird und eine ent sprechende Gegenmaßnahme initiiert wird.

Die einzelnen Messwerte der Sensoren werden daher relativ zueinander vergli chen. Dies beruht auf der Überlegung, dass beispielsweise eine starke Änderung bei einem Sensor darauf hindeutet, dass eine diesem Sensor benachbarte Zelle fehlerhaft ist. Demgegenüber würden Sensoren, die nicht fehlerhaften Zellen zu geordnet sind, eine deutlich geringere Änderung erfahren, sodass also aus diesem relativen Vergleich ein Rückschluss auf eine defekte Zelle gezogen werden kann. Sofern vorliegend von einer „ungleichmäßigen Änderung“ gesprochen wird, so wird hierunter verstanden, dass die Änderungen zwischen zwei Sensoren vonei nander um mehr als ein zulässiger Toleranzbereich abweichen, wobei der Tole ranzbereich beispielsweise 10%, 20% oder 30% bezogen auf die Änderung be trägt.

Durch die individuelle Auswertung der einzelnen Sensoren ist weiterhin auch eine Lokalisierung der schadhaften Zelle möglich und wird vorzugsweise durch die Auswerteeinheit auch vorgenommen.

In zweckdienlicher Weiterbildung ist ergänzend eine Erfassungseinheit, insbeson dere ein Temperatursensor, zur Erfassung einer aktuellen Betriebstemperatur der Batterie angeordnet. Die Auswerteeinheit ist weiterhin derart eingerichtet, dass der kritische Wert in Abhängigkeit der aktuellen Betriebstemperatur eingestellt wird. Der zumindest eine Temperatursensor ist dabei an einer geeigneten Messstelle unmittelbar an oder in der Batterie platziert. Bevorzugt sind mehrere Temperatur sensoren vorgesehen und als aktuelle Betriebstemperatur wird in diesem Fall ein aus den mehreren gemessenen Temperaturen abgeleiteter Wert, beispielsweise ein Mittelwert, ermittelt.

Die Berücksichtigung der aktuellen Betriebstemperatur und die Einstellung des kritischen Wertes, also des Wertes für die zulässige Änderung des Messwerts des Sensors gegenüber seinem Referenzwert, beruht darauf, dass die einzelnen Zel len während des Betriebs eine zulässige Ausdehnung infolge von normalen, be triebsbedingten Temperaturen erfahren. So führen typischerweise hohe Lastzu stände, speziell beim Ladevorgang, zu Temperaturerhöhungen und entsprechen den Ausdehnungen der einzelnen Zellen. Diese werden daher durch die Verände rung des kritischen Werts von der Auswerteeinheit bereits berücksichtigt. Im Falle von hohen Temperaturen sind nämlich insgesamt höhere Werte für die Ausdeh nung zulässig, d.h. der kritische Wert für die zulässige Änderung gegenüber dem Referenzwert nimmt mit steigender Betriebstemperatur zu. So kann beispielsweise eine Änderung um 20%, bezogen auf den Referenzwert, bereits alleine durch eine übliche Betriebstemperatur bedingt sein. Tritt jedoch eine Änderung von 20% in einem „kalten“ Zustand der Batterie auf, so kann dies bereits Indiz für eine schad hafte Zelle sein. Entsprechend wird daher mit zunehmender Betriebstemperatur ein höherer Wert für den kritischen Wert eingestellt, ab dessen Überschreitung prädiktiv auf einen Fehler geschlossen wird.

In zweckdienlicher Ausgestaltung ist ein jeweiliger Sensor als Differenzkondensa tor mit zwei gegenüberliegenden Basiselektroden und mit einer dazwischen ange ordneten Messelektrode ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine hohe Sensitivität selbst bei kleinsten Abstandsänderungen.

Zweckdienlicherweise sind die Basiselektroden und die Messelektroden als flächi ge Elektroden ausgebildet und parallel zueinander angeordnet.

In einer alternativen Ausgestaltung sind die Basiselektrode und die Messelektrode Z-förmig angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung eines Z-förmigen Differenz kondensators ist beispielsweise in der WO 2006/015565 A1 beschrieben.

In zweckdienlicher Ausgestaltung liegen die Basiselektroden dabei auf Grundpo tenzial (Masse) und die Messelektrode ist mit einem Messanschluss der Auswer teeinheit verbunden. Allgemein ist ein derartiger Differenzkondensator durch zwei in Serie geschaltete Kondensatoren gebildet. Hierdurch wird insgesamt die Kapa zität und dadurch die Sensitivität erhöht. Durch die Maßnahme, dass die gegen überliegenden, äußeren Basiselektroden auf Massepotenzial liegen, ist zugleich eine Abschirmung durch diese Basiselektroden erreicht.

Die zuvor beschriebene parallele Anordnung der Elektroden ist die bevorzugte Ausgestaltung. Durch diese ist ein besonders kompakter Aufbau ermöglicht und bereits kleinste Ausdehnungen einer Zelle und der dadurch bedingte Druckan stieg, welcher zu einem minimalen Zusammendrücken des Sensors führt, lassen sich daher zuverlässig detektieren. Die Auswerteeinheit weist dabei insbesondere einen Oszillator, speziell einen RC- Oszillator, auf. Dessen Resonanzfrequenz verschiebt sich infolge einer Kapazität sänderung des durch den Sensor gebildeten Kondensators, sodass also eine ge naue Erfassung einer Änderung gewährleistet ist.

In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen der Basiselektrode und der Messelekt rode jeweils noch eine elastische, dielektrische Lage (aus einem nicht gasförmi gen Material) angeordnet. Diese definiert dabei zugleich einen isolierenden Ab standshalter zwischen den beiden Elektroden und erlaubt eine Kompression infol ge einer thermisch bedingten Ausdehnung der Zellen.

Die dielektrische Lage weist dabei vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 100pm bis 200pm auf.

Durch die Wahl der Dicke und/oder Dichte der dielektrischen Lage werden die Ei genschaften des Kondensators (Sensors) beeinflusst und können bedarfsgerecht eingestellt werden.

Die Elektroden, insbesondere die Basiselektroden, sind durch Metallfolien, speziell durch Kupferfolien gebildet. Diese weisen insbesondere eine Dicke im Bereich von lediglich 50 bis 80pm auf.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit weiterhin innerhalb eines Modulgehäuses angeordnet, welches die mehreren Zellen, die zu einem Zellmodul zusammengefasst sind, umgibt. Durch diese integrale Anordnung innerhalb des Modulgehäuses ist eine unmittelbare Überwachung erreicht. Die einzelnen Aus werteeinheiten der jeweiligen Zellmodule der Batterie stehen dabei insbesondere mit einer Zentraleinheit, beispielsweise einem Batteriemanagementsystem, in Verbindung. Auch bei dieser handelt es sich um eine zentrale Auswerteeinheit, die typischerweise unmittelbar an der Batterie angeordnet oder in diese integriert ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen.

Fig. 1 ein Zellmodul mit mehreren innerhalb eines Modulgehäuses inte grierten Zellen mit dazwischen angeordneten Sensoren,

Fig. 2 eine Batterie mit mehreren der in Fig. 1 dargestellten Zellmodule, Fig. 3 eine Messanordnung mit einer ersten Variante eines kapazitiven Sensors und

Fig. 4 eine Messanordnung mit einer zweiten Variante eines kapazitiven Sensors.

In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen darge stellt.

Das in Fig. 1 dargestellte Zellmodul 2 weist ein Modulgehäuse 4 auf, innerhalb dessen mehrere Zellen 6 angeordnet sind. Das Zellmodul 2 erstreckt sich dabei in eine Querrichtung 8 und die vorzugsweise in etwa quaderförmig ausgebildeten einzelnen Zellen sind in dieser Querrichtung 8 nebeneinander angeordnet. Das Modulgehäuse 4 weist in Querrichtung 8 betrachtet Seitenwände 10 auf, welche die Zellen 6 in Querrichtung zwischen sich einspannen.

In Querrichtung 8 betrachtet ist zwischen zwei benachbarten Zellen 6 jeweils ein Sensor 12 angeordnet. Dieser ist insbesondere als kapazitiver Sensor und speziell als Differenzkondensator ausgebildet, wie er in unterschiedlichen Varianten zu den Fig. 3 und 4 näher beschrieben ist.

Die einzelnen Sensoren 12 sind daher zwischen zwei benachbarten Zellen 6 ein geklemmt. Durch den von dem Modulgehäuse 4 ausgeübten Druck wird auf die Sensoren ein durch erste Pfeile 14 dargestellter Druck auf die Sensoren 12 aus geübt. Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Zellen 6 dargestellt. Eine jede Zelle 6 weist ein Gehäuse 16 auf. Ein jeweiliger Sensor 12 ist daher zwischen Wänden von benachbarten Gehäusen 16 angeordnet und eingeklemmt. Der jeweilige Sensor 12 weist in Querrichtung 8 betrachtet eine Dicke von vor zugsweise 300pm auf. Diese Dicke entspricht zugleich einem Abstand a zwischen einander benachbarten Zellen 6

Innerhalb des jeweiligen Modulgehäuses 4 ist weiterhin eine Auswerteeinheit 18 angeordnet, die mit jedem der Sensoren 12 verbunden ist, um dessen Messwerte zu erfassen. In der Fig. 1 ist schematisiert zu dem mittleren Sensor 12 eine Aus werteschaltung angedeutet, welche einen RC-Oszillator aufweist. Der jeweilige Sensor 12 ist dabei jeweils an einen Messanschluss 20 der Auswerteeinheit 18 angeschlossen. Bei einer durch eine Änderung des Abstands a wird eine Ände- rung der Kapazität des Sensors hervorgerufen. Eine solche verändert die Fre quenz eines periodischen, beispielsweise sinusförmigen Wechselspannungssig nals des Oszillators.

In der Fig. 1 ist der Sensor 12 als Differenzkondensator ausgebildet mit zwei ge- genüberliegenden, flächigen Basiselektroden 22, einer dazwischen angeordneten Messelektrode 24 sowie einer zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden 22,24 jeweils angeordneten dielektrischen Lage 26. Die beiden Basiselektroden 22 bilden äußere Elektroden, welche vorzugsweise unmittelbar an der Wand des jeweiligen Gehäuses 16 anliegen, ggf. lediglich unter Zwischenlage einer Isolati- onslage.

Bei den Basiselektroden 22 handelt es sich um flächige, folienartige Elemente, die aus Metall, insbesondere aus Kupfer bestehen. Die beiden Basiselektroden 22 liegen dabei auf einem gemeinsamen Basis- oder Massepotenzial. Im Ausfüh- rungsbeispiel sind die beiden Basiselektroden 22 einstückig ausgebildet und mit einander durch ein Querverbindungsstück 28, welches im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gekrümmt dargestellt ist, gebildet. Im Querschnitt betrachtet bilden die bei den Basiselektroden 22 daher ein „U“ aus. Die dazwischen angeordnete Mes- selektrode 24 verläuft parallel zu den beiden Basiselektroden 22 und erstreckt sich entlang einer planen Ebene senkrecht zur Querrichtung 8 und kann daher - im Querschnitt gesehen - als ein „I“ angesehen werden. Der dargestellte Sensor 12 wird daher auch als „II -Sensor 12 bezeichnet. Die dielektrischen Lagen 26 sind vorzugsweise ebenso wie die Basiselektroden 22 einstückig ausgebildet und wei sen ein Querverbindungsstück auf. Sie sind daher im Querschnitt betrachtet eben falls U-förmig ausgebildet. Basiselektroden 22 und dieelektrische Lagen sind also als (im Querschnitt betrachtet) zwei U-förmige, einstückige Gebilde ineinander gesteckt.

Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, sind zum Aufbau einer Batterie 30 mehrere derar tige Zellmodule 2 zusammen innerhalb eines Batteriegehäuses 32 zusammenge fasst und geeignete miteinander verschaltet. Die Batterie 30 weist zwei Anschluss pole 31 zum Anschluss insbesondere an ein Kraftfahrzeug-Bordnetz auf. Der Bat- terie 30 ist eine zentrale Auswerteeinheit 34 zugeordnet, die vorzugsweise inner halb des Batteriegehäuses 32 angeordnet ist. Bei dieser zentralen Auswerteein heit 34 handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes Batteriemanagement system. Diese zentrale Auswerteeinheit 34 steht insbesondere mit den einzelnen Auswerteeinheiten 18 in Verbindung. Die einzelnen modul-spezifischen Auswer- teeinheiten 18 zusammen mit der zentralen Auswerteeinheit 34 bilden insofern funktional eine Auswerteeinheit, die zur Überwachung der Batterie insbesondere im Hinblick auf eine vorzeitige Erkennung eines Thermal Runaways ausgebildet ist. Die einzelnen Sensoren 12 zusammen mit den einzelnen Auswerteeinheiten 18 und ggf. zusammen mit der zentralen Auswerteeinheit 34 bilden eine Messanord nung 36, die zur prädiktiven Erkennung eines unerwünschten Thermal Runaways ausgebildet ist. Ein Thermal Runaway entsteht durch eine Fehlfunktion innerhalb einer einzelnen Zelle 6 beispielsweise durch Überlast oder durch einen internen Kurzschluss. Dies führt zu einer thermischen Erwärmung. Wird eine Grenztemperatur erreicht kommt es zu einer chemischen Reaktion innerhalb der Zelle 6, welche die Zelltemperatur weiter anheizt. Eine derartige Reaktion verstärkt sich durch die zunehmende Temperatur. Eine unzulässige Temperaturänderung kündigt sich durch eine ther misch bedingte Expansion der Zelle 6 an.

Eine derartige Ausdehnung einer Zelle 6 führt zu einem erhöhten Druck bzw. zu einer Ausdehnung in Richtung der zweiten Pfeile 38, wie sie in einer der in Fig. 1 dargestellten Zellen 6 dargestellt sind. Diese (geringfügige) Ausdehnung wird von dieser Zelle 6, nachfolgend als fehlerhafte Zelle 6a bezeichnet, erfasst. Die Aus dehnung dieser fehlerhaften Zelle 6a führt zu einer Verringerung des Abstands a zu den benachbarten Zellen und damit zu einer Komprimierung der Sensoren 12, die an dieser fehlerhaften Zelle 6a anliegen. Diese Komprimierung führt zu einer Kapazitätsänderung, die durch die Auswerteeinheit 18,34 erfasst wird.

Überschreitet diese Kapazitätsänderung und damit die Abstandsänderung zwi schen zwei benachbarten Zellen 6 einen kritischen Wert, welcher auf das potenzi elle Entstehen eines Thermal Runaways hindeutet, so gibt die Auswerteeinheit 18,34 ein entsprechendes Warnsignal ab, um eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Diese Gegenmaßnahme besteht beispielsweise im Abschalten der Batterie oder zumindest in einer Reduzierung der Belastung der Batterie, beispielsweise eine Reduzierung eines Ladestroms oder eines aktuell abgegebenen Stroms.

Die Auswerteeinheit 18,34 wertet insbesondere parallel die Messergebnisse der einzelnen Sensoren 12 eines jeweiligen Zellmoduls 2 aus. Die Auswerteein heit 18,34 erkennt dabei auf eine Überschreitung des kritischen Werts und löst die Gegenmaßnahme aus, sofern die relative Änderung (Abstandsänderung, Kapazi tätsänderung) der einzelnen Sensoren 12 über einen Toleranzbereich hinweg voneinander abweichen. Der Toleranzbereich liegt beispielsweise bei +/-10%, bei +/- 20% oder +/- 30%. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass im Falle einer einzelnen fehlerhaften Zelle 6a zunächst lediglich diese Zelle 6a sich überproportional (im Vergleich zu den nicht fehlerhaften Zellen 6) ausdehnt und daher besonders die dieser fehlerhaften Zelle 6a benachbarten Sensoren 12 eine übermäßige Kompression erfahren. Unterschiedliche Änderungen sind daher ein Indiz für die fehlerhafte Zelle 6a. Speziell wird diese auch lokalisiert, da die ihr be nachbarten Sensoren 12 eine überproportionale Zunahme der Kapazität zeigen.

Alternativ oder ergänzend ist die Auswerteeinheit 18,34 auch zur Berücksichtigung der Temperatur der Batterie 30 ausgebildet. Hierzu ist zumindest ein Temperatur sensor 40 vorgesehen, welcher in der Fig. 2 beispielhaft als Bestandteil der zent ralen Auswerteeinheit 34 gezeigt ist. Alternativ ist beispielsweise an oder in jedem Zellmodul 2 oder jeder Zelle 6 ein Temperatursensor 40 angeordnet.

Der kritische Wert, ab dem auf eine Fehlfunktion geschlossen wird, variiert dabei in Abhängigkeit der vom Temperatursensor 40 erfassten Temperatur. D.h. die Auswertung, ob eine fehlerhafte Zelle 6a vorliegt, erfolgt allgemein ein Abhängig keit der erfassten aktuellen Betriebstemperatur der Batterie 30 bzw. zumindest der aktuellen Betriebstemperatur des jeweiligen Zellmoduls 2 oder der jeweiligen Zel le 6.

Eine derartige Batterie 30 ist insbesondere als eine Hochvolt-Batterie speziell zur elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors (Fahrmotor) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs (Kraftfahrzeug) ausgebildet und in einem solchen angeordnet. Die Spannung der Batterie 30 liegt dabei typischerweise im Bereich von mehreren 100 Volt.

Die Fig. 3 zeigt stark vereinfacht eine Messanordnung 36 mit dem zuvor beschrie benen Ul-Sensor 12 (Differenzkondensator) mit daran angeschlossener Auswer teeinheit 18. In dieser schematischen Darstellung ist die zwischen den Elektro den 22,24 angeordnete dielektrische Lage 26 nicht dargestellt. Die beiden Basise lektroden 22 sowie die Messelektrode 24 sind als Flachelektroden ausgebildet und parallel zueinander angeordnet. Durch die dargestellten Pfeile wird der auf den Sensor 12 ausgeübte Druck illustriert. Die beiden Basiselektroden 22 sind mit Massepotenzial verbunden. Die Messelektrode 24 ist an einer Auswerteschaltung angeschlossen. Diese Auswerteschaltung gibt als Ausgangssignal ein periodi sches Wechselspannungssignal ab, dessen Periode von der Kapazität abhängt. Bei einer Kompression des Sensors 12 erhöht sich dessen Kapazität, was zu einer Veränderung der Periode führt.

In der Fig. 4 ist eine alternative Ausgestaltung des kapazitiven Sensors 12 darge stellt. Im Unterschied zu der Fig. 3 ist dabei die zwischengeordnete Messelektro de 24 nicht parallel sondern schräg verlaufend angeordnet, sodass im Querschnitt betrachtet die drei Elektroden in etwa Z-förmig angeordnet sind. Die Basiselektro den 22 sind dabei von der Messelektrode 24 elektrisch entkoppelt. D.h. das Ver bindungsstück zwischen der Messelektrode 24 und den beiden benachbarten Ba siselektroden 22 ist durch einen elektrischen Isolator gebildet.

Die in der Fig. 3 dargestellte Variante des Ul-Sensors ist die bevorzugte Ausge staltung, da dieser - in Querrichtung 8 betrachtet - schmaler baut und sich damit mehr für die erwünschte kompakte Anordnung eignet.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel be grenzt. Abwandlungen sind im Rahmen des durch die Schutzansprüche definier ten Umfangs möglich. Speziell können anstelle der hier beschriebenen kapazitiven Sensoren auch andere Sensoren, speziell Abstandssensoren, eingesetzt werden. Die hier beschriebenen Differenzkondensatoren haben sich jedoch als besonders geeignet und sensitiv erwiesen.

Bezugszeichenliste

2 Zellmodul d Dicke

4 Modulgehäuse a Abstand 6 Zellen

6a fehlerhafte Zelle

8 Querrichtung

10 Seitenwände

12 Sensor 14 erste Pfeile

16 Gehäuse

18 Auswerteeinheit

20 Messanschluss

22 Basiselektroden 24 Messelektrode

26 dielektrische Lage 28 Querverbindungsstück

30 Batterie

31 Anschlusspol 32 Batteriegehäuse

34 zentrale Auswerteeinheit 36 Messanordnung

38 zweite Pfeile

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Überwachung einer Batterie (30), insbesondere einer Lithi- um-lonen Batterie zur Vermeidung eines Thermal Runaways, mit der Batterie

(30), welche mehrere Zellen (6) aufweist, die innerhalb eines Gehäuses (4) unter einer Vorspannung in einer Querrichtung (8) nebeneinander angeord net sind, wobei eine Messanordnung (36) zur Erfassung einer Ausdehnung zumindest einer der Zellen (6) in Querrichtung (8) vorgesehen ist und die Messanordnung (36) mehrere Sensoren (12) sowie eine Auswerteeinheit

(18,34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12) jeweils zwischen zwei in Querrichtung (8) benachbarten Zellen (6) angeordnet und mit der Auswerteeinheit (18,34) verbunden sind, so dass eine Ausdehnung einer der Zellen (6) in Querrichtung (8) von der Messanordnung (36) erfasst und im Hinblick auf das Übersteigen eines kritischen Wertes für die Ausdeh nung überwacht wird, wobei der kritische Wert auf ein potentielles Entstehen eines Thermal Runaways hindeutet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der ein jeweiliger Sensor (12) und die Auswerteeinheit (18, 34) zur Erfassung einer Abstandsänderung zwischen zwei Zellen (6) im Bereich zwischen 1 pm und 50pm ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (12) eine Dicke (d) in Querrichtung (8) im Bereich von 150 pm bis 500pm und insbesondere im Bereich von 200 pm bis 400pm aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen jedem Paar an Zellen (6) jeweils ein Sensor (12) angeordnet ist. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswer teeinheit (18,34) dazu ausgebildet ist, Messwerte der Sensoren (12) mitei nander zu vergleichen, wobei eine ungleichmäßige Änderung der Messwerte der verschiedenen Sensoren (12) als ein Übersteigen des kritischen Wertes ausgewertet wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Erfas sungseinheit (40) zur Erfassung einer aktuellen Betriebstemperatur der Bat terie (30) vorgesehen ist und die Auswerteeinheit (18,34) derart eingerichtet ist, dass der kritische Wert in Abhängigkeit der aktuellen Betriebstemperatur eingestellt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein jeweili ger Sensor (12) als Differenzkondensator mit zwei gegenüberliegenden Ba- siselektroden (22) und mit einer dazwischen angeordneten Messelektrode

(24) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Basiselektro den (22) und die Messelektrode (24) parallel zueinander angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Basiselektroden (22) und die Mes selektrode (24) Z-förmig angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Basiselektroden (22) auf Grundpotential liegen und die Messelektrode (24) mit einem Mess anschluss (20) der Auswerteeinheit (18) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der zwischen einer Ba siselektrode (22) und der Messelektrode (24) jeweils eine elastische dielekt- rische Lage (26) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die dielektrische Lage (26) eine Dicke im Bereich von 100pm bis 200pm aufweist 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zellen (6) zu einem Zellmodul (2) zusammengefasst und innerhalb eines Modulge häuses (4) angeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit (18) innerhalb des Modulgehäuses (4) angeordnet ist.

14. Verfahren zur Überwachung einer Batterie (30), insbesondere einer Lithium- Ionen Batterie (30) zur Vermeidung eines Thermal Runaways, wobei die Bat terie (30) mehrere Zellen (6) aufweist, die innerhalb eines Gehäuses (4) un ter einer Vorspannung in einer Querrichtung (8) nebeneinander angeordnet sind, und eine Ausdehnung zumindest einer der Zellen (6) in Querrichtung

(8) mit Hilfe einer Messanordnung (36) erfasst wird, wobei hierzu ein jeweili ger Abstand (a) zwischen benachbarten Zellen überwacht wird, und wobei bei Überschreiten eines kritischen Wertes für die Ausdehnung, welcher auf ein potentielles Entstehen eines Thermal Runaways hindeutet, eine Gegen- maßnahme eingeleitet wird.