WO2022144289A2 - Verfahren zum überwachen eines elektrischen energiespeichers und elektrischer energiespeicher - Google Patents

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WO2022144289A2
WO2022144289A2 PCT/EP2021/087429 EP2021087429W WO2022144289A2 WO 2022144289 A2 WO2022144289 A2 WO 2022144289A2 EP 2021087429 W EP2021087429 W EP 2021087429W WO 2022144289 A2 WO2022144289 A2 WO 2022144289A2
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energy storage
energy store
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strain gauge
measurement rate
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Sarah-Katharina HAHN
Gerd Wagenhaus
Ulrich Krause
Christian Daniel
Pascal VORWERK
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Otto-Von-Guericke-Universität Magdeburg
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring an electrical energy storage device and an associated electrical energy storage device for carrying out such a method.
  • Electrical energy stores typically have one or more energy storage cells, it being possible for such energy storage cells to be designed in particular for storing energy electrochemically. Typically, these are rechargeable, so that after a complete or at least partial current draw, current can be supplied and stored again. Such electrical energy stores can be used, for example, to power motor vehicles, other mobile units or stationary units.
  • Typical energy storage cells such as lithium-ion batteries have the property that if they are overstressed, they can go into an exothermic process that can no longer be controlled. This is also referred to as a "thermal runaway".
  • the invention relates to a method for monitoring an electrical energy store.
  • the energy store expediently has one energy storage cell or a plurality of energy storage cells which are arranged adjacent to one another along at least one direction.
  • the energy store expediently has at least one strain gauge unit, which is designed to determine a change in a distance, the distance being indicative of a total length of the energy storage cells along the direction.
  • the procedure has the following steps:
  • measurement rates can be adapted in a suitable manner for respective states or usage situations.
  • a smaller measurement rate can be used, which therefore also consumes less energy.
  • this can make it possible for the energy store to be monitored during operation at a comparatively high measuring rate in order to immediately detect any error states, but only to be monitored at a lower measuring rate when it is not in operation, which saves energy and thus allows monitoring, for example, also in stand is made possible.
  • motor vehicle idle times are considerably longer than travel times or charging times, and the speed at which a significant malfunction manifests itself is typically lower.
  • the strain gauge unit can be read at the second measuring rate.
  • the energy store can in particular be designed as described elsewhere herein. However, other designs of energy stores are also possible. In principle, the method can be applied to any energy store that enables a measurement of a change in a distance.
  • a measurement rate specifies how often a value is measured within a certain period of time. The higher the measuring rate, the more values are measured within a period of time. In particular, the measurement rate can indicate how many measurements are carried out per second. Another unit of time can also be used.
  • the distance can be identical to the overall length, for example. However, distance and overall length can also be correlated in other ways. In particular, a relationship between the distance and the overall length can be specified geometrically. For example, the total length can be specified along a line that is parallel to the direction or that is identical to the direction. For example, it can take into account any bulging of the energy storage cells.
  • the first measurement rate can be at most 0.05 s_1 or at most 0.01 s_1 . Such values have proven advantageous for typical applications.
  • the first measurement rate can also be at most 0.005 s -1 or at most 0.003 s -1 . This means that even more energy can be saved, and adequate monitoring is still guaranteed.
  • the first measurement rate is preferably at least 0.001 s -1 or at least 0.003 s' 1 . This ensures sufficient monitoring without using too much energy.
  • the upper and lower limit values of possible measurement rates given here represent preferred configurations, but other values can also be used. Suitable intervals can be formed from the specified values. Preferably, only charging and drawing current represent an operation of the energy storage device.
  • the energy storage device is not in operation when it is neither being charged nor current being drawn from it.
  • charging is understood to mean in particular the intentional supply of electrical energy, which is stored in particular chemically in the energy storage cells.
  • a current draw represents the opposite case, with chemical energy being converted into electrical energy in the energy storage cells and this electrical energy being drawn off in order to use it to drive a device such as an electric motor.
  • a limit value can thus be set, from which one speaks of a current draw.
  • Functionalities of this type when stationary can, however, in particular also be supplied from a separate vehicle battery, so that no current is actually drawn from a monitored electrical energy store when stationary.
  • a third measurement rate can also be specified when defining, which is greater than the first measurement rate and is different from the second measurement rate.
  • the step of reading out during operation can be carried out in particular as follows: during charging of the energy store: reading out the strain measurement unit at the second measuring rate, and while current is being drawn from the energy store: reading out the strain measuring unit at the third measuring rate.
  • the step of reading out during operation can be carried out as follows: during charging of the energy storage device and while current is being drawn from the energy storage device: reading out the strain measurement unit at the second measurement rate.
  • the second measuring rate and/or the third measuring rate can in particular be at least 0.1 s' 1 or at least 0.5 s -1 .
  • the second measuring rate and/or the third measuring rate can in particular be at most 0.5 s -1 , at most 1 s -1 or at most 5 s -1 .
  • Such upper and lower limits of possible intervals have proven advantageous for typical applications. However, other values can also be used.
  • the energy store When the energy store is not in operation, the energy store is typically not charged and no current is drawn from it. It can also be provided that it is not charged when the energy store is not in operation and at most a very small current, for example below a predetermined limit value or threshold value, is drawn from it. Such a current is then typically not used to drive a machine used to move the motor vehicle, but only to maintain functions that consume little current and that are carried out when the vehicle is stationary, for example monitoring a radio key or updating traffic data.
  • Each reading can be carried out in particular for a predetermined measurement period.
  • a respective measurement rate can specify how often it is read out, and the measurement period specifies how long each individual measurement lasts.
  • the measurement period is typically so short that it ends before the next measurement, in particular well before the next measurement. For example the measurement period may be less than half, less than 10%, less than 5% or less than 1% of an interval between two measurements.
  • the reading at a respective measuring rate can take place in particular at constant time intervals. This corresponds to a particularly simple design. In other words, measurements are taken at regular time intervals, which can be calculated in particular by the inverse of the measurement rate. However, other designs are also possible here, with different distances being able to be used, for example. In this case, the measurement rates mentioned specify how often measurements are averaged over a longer period of time, for example one minute.
  • the energy store can in particular have a first terminating element and a second terminating element, the first terminating element adjoining a first end-side energy storage cell and the second terminating element adjoining a second end-side energy storage cell, so that the energy storage cells extend between the terminating elements.
  • first terminating element adjoining a first end-side energy storage cell and the second terminating element adjoining a second end-side energy storage cell, so that the energy storage cells extend between the terminating elements.
  • the terminating elements can be assigned separately exclusively to the energy store.
  • at least one closing element is part of another element of the motor vehicle and/or has an additional function.
  • a closing element can be a battery tray and/or a part of a body of the motor vehicle at the same time.
  • the energy store can in particular have a connecting element or a plurality of connecting elements, each connecting element mechanically connecting the first closing element and the second closing element to one another.
  • the at least one strain measurement unit can be arranged in particular in one of the connecting elements, and the distance between the end elements can be defined along the respective connecting element.
  • the energy store can in particular have two, three or four strain gauge units, which are each arranged in a connecting element.
  • each strain measurement unit can be read out separately.
  • other distances can also be monitored, as a result of which, for example, a tilting of the terminating elements with respect to one another can be detected. This can also allow conclusions to be drawn about possible error states.
  • strain gauges can be read out simultaneously or in unchangeable time relationships to one another. This corresponds to a simple implementation. However, other designs are also possible here.
  • the method can have the following step: detecting a state based on the change.
  • an error state can be detected when the absolute change within a specified period of time is at least as great as a specified threshold value.
  • Such an error state can indicate a malfunction of at least one energy storage cell, for example.
  • a detection of an error state in particular a signal for controlling or regulating an operating state of the energy store can be generated, a charging process can be interrupted and/or a warning can be output. In this way, suitable protective measures can be taken to avoid further damage.
  • the change is in particular the change in the distance already mentioned above, which can be determined by reading out the strain measurement unit or the strain measurement units with the respective measurement rate.
  • the invention further relates to an electrical energy store, the electrical energy store having one or more energy storage cells Has energy storage cells, which are arranged adjacent to one another along at least one direction.
  • the electrical energy storage device has at least one strain gauge unit, which is designed to determine a change in a distance, the distance being indicative of a total length of the energy storage cells along the direction.
  • the electrical energy store is configured to perform a method as described herein. With regard to the method, all of the versions and variants described herein can be used.
  • the electrical energy store can have an evaluation unit which is configured to carry out a method as described herein.
  • a possible electrical energy store is described below, with which the method can be used particularly advantageously. All of the described embodiments of the electrical energy store can be used here. However, the electrical energy store can also be viewed as an independent invention that can be implemented independently of the method that relates to the use of different measurement rates. Furthermore, another method is also described below, which can also be regarded as an independent invention.
  • the electrical energy storage device has an energy storage cell or a plurality of energy storage cells which are arranged adjacent to one another along at least one direction.
  • the electrical energy storage device has a first terminating element and a second terminating element, the first terminating element adjoining a first end-side energy storage cell and the second terminating element adjoining a second end-side energy storage cell, so that the energy storage cells extend between the terminating elements.
  • the electrical energy store has a connecting element or a plurality of connecting elements, each connecting element mechanically connecting the first closing element and the second closing element to one another.
  • the electrical energy store also has at least one strain gauge unit, which is arranged in a connecting element, and namely to determine a change in a distance between the terminating elements along the respective connecting element.
  • a change in length between the terminating elements can be detected by means of such an electrical energy store.
  • Such a change in length typically indicates that at least one of the energy storage cells has deformed.
  • Such a deformation is typically an indication that chemical processes are taking place in an electrical energy storage cell which go beyond a normal charging or discharging process. For example, this can involve the development of gas, which can occur in the event of an overload and can lead to the energy storage cell expanding as a result of an overpressure that occurs internally.
  • Such an expansion can therefore be an indication of a malfunction or of a possibly impending temperature increase.
  • parameters relating to the use of the energy storage cell can be adjusted, for example, or a charging or removal process can be interrupted, for example, or a warning can be issued. This makes it possible to react in good time to imminent fault conditions and thus prevent any damage.
  • the arrangement of the strain gauge unit or multiple strain gauge units in one connecting element has proven to be particularly advantageous, since the strain gauge unit can thus be arranged laterally next to the energy storage cells, i.e. it does not have to be arranged in such a way that the overall structure is extended along the direction already mentioned . This enables a particularly compact arrangement. In addition, the otherwise existing problem is avoided that when arranging a strain gauge unit between energy storage cells and a terminating element, a contact is difficult to establish due to different dimensions or a costly dimensional adjustment must be made.
  • the connecting elements would also have a function in the electrical energy store without a strain gauge unit, and the integration of a strain gauge unit in such a connecting element is structurally simple and, in particular, can be implemented without requiring additional installation space.
  • the energy storage cells can in particular be electrical or electrochemical energy storage cells.
  • An arrangement which is adjacent to one another along at least one direction can mean in particular that the energy storage cells directly adjoin one another as seen along the direction, or that there are intermediate elements such as foils, plates or spacers between the energy storage cells.
  • a deformation of one of the energy storage cells thus typically leads at least to a change in the overall length of the electrical energy storage device along the direction or along another measuring line. This can be recorded and measured by the at least one strain gauge unit already mentioned.
  • Both terminating elements then typically adjoin this energy storage cell.
  • the terminating elements can be assigned separately exclusively to the energy store.
  • at least one closing element is part of another element of the motor vehicle and/or has an additional function.
  • a closing element can be a battery tray and/or a part of a body of the motor vehicle at the same time.
  • a stack of energy storage cells can typically extend along the direction.
  • each energy storage cell can have a cross section which is arranged transversely to the direction and typically does not change or only slightly changes along the direction. This can be the case with pouch cells, for example.
  • the direction can typically be selected in a meaningful way in an electrical energy store. It does not necessarily have to be visually recognizable from the components, but in many cases it can be parallel and/or transverse to various components of the electrical energy store.
  • the direction can be parallel to the connecting elements.
  • the first terminating element can in particular be designed as a terminating plate.
  • the second closing element can be designed in particular as a closing plate.
  • Such plates can be arranged parallel to the energy storage cells, for example. In particular, you can close off the electrical energy store on the respective sides.
  • the energy storage cells can be braced between the two terminating elements.
  • the connecting element or the connecting elements can ensure that the two terminating elements are braced against one another.
  • the connecting elements can be designed to define the position of the two end elements relative to one another.
  • a distance between the termination elements along the respective connection element can be, for example, a distance between a first connection point and a second connection point, the connection element being connected to the first termination element at the first connection point or at least adjoining it, and the connection element being connected to the second connection point at the second connection point Closing element is connected or at least adjacent to it.
  • the connecting elements typically run in a straight line, so that the respective distance along such a connecting element can be measured. Accordingly, a change in such a distance can also be determined.
  • the electrical energy store has only one strain gauge unit. This corresponds to a simple design, which is typically already sufficient to identify potentially critical states or other changes in the energy storage cells.
  • the electrical energy store has two, three or four strain gauge units, which are each arranged in a connecting element.
  • the electrical energy store can have four connecting elements, and a strain gauge unit can be in each of these connecting elements be arranged.
  • a respective strain gauge unit can also be arranged in only some of the connecting elements.
  • An elastic section can preferably be formed in a connecting element, some or all connecting elements with a strain measurement unit between the strain measurement unit and the first closing element.
  • an elastic section can preferably be formed in a connection element, some or all connection elements with a strain measurement unit between the strain measurement unit and the second closing element.
  • Such elastic sections can ensure that an elastic expansion of the respective connection element is possible in series with a respective expansion measuring unit.
  • the respective connecting element can also be used in the presence of a strain gauge unit in order to brace the two terminating elements against one another.
  • the elastic sections are at least slightly stretched in a state of rest, so that the two closing elements are stretched towards one another. This can also be done in connection with connecting elements which do not have a strain gauge unit and which can also have elastic sections.
  • a respective elastic section or also several elastic sections can be formed in all connecting elements.
  • an elastic section can be formed between the first closing element and the second closing element.
  • Such an elastic section can also ensure that the two closing elements are braced towards one another and thus a force is generated that holds the energy storage cells together.
  • the connecting elements can be rigid outside of elastic sections and strain gauge units.
  • the elastic forces generated by the elastic sections and/or by the strain gauge units can be transmitted to the closing elements.
  • the connecting elements can generate an identical or at least approximately identical force, which tensions the closing elements towards one another. This applies in particular regardless of whether strain gauge units are contained in the connecting elements or not.
  • the first closing element can directly adjoin an end-side energy storage cell.
  • the second closing element can directly adjoin an end-side energy storage cell.
  • the closing elements can close off the energy storage cells and, for example, exert pressure on them in order to hold them together in a meaningful way. If at least one of the energy storage cells deforms, such a deformation can be transferred directly to the terminating elements, so that a corresponding change in a distance can be measured.
  • respective foils can also be provided between the closing element and the energy storage cell at the end.
  • Energy storage cells at the end are in particular those which only adjoin one other energy storage cell when viewed along the direction.
  • the energy storage cells are braced between the terminating elements.
  • the terminating elements can be braced against one another, in particular by means of the connecting elements.
  • the elastic sections already mentioned above can be used. This allows some pressure to be applied to the energy storage cells to hold them in place.
  • the first terminating element can in particular be designed as a terminating plate.
  • the second closing element can be designed as a closing plate. End plates of this type can, for example, extend across a cross section of the energy storage cells transversely to the direction already mentioned above and can thus advantageously close off the electrical energy storage device.
  • the energy storage cells can in particular be plastically and/or elastically deformable.
  • a plastic deformation is understood to mean, in particular, a deformation that is permanent and remains completely or at least partially if the reason for it ceases to exist.
  • An elastic deformation on the other hand, recedes completely or at least to a large extent when the reason for it no longer applies. A deformation can occur in particular with the gas development already mentioned above.
  • a strain gauge unit or some or all of the strain gauge units may each have at least one strain gauge.
  • a strain gauge can, in particular, absorb an applied voltage, which increases, for example, if an undesired development of gas takes place in one of the energy storage cells and this energy storage cell therefore expands.
  • one or more elastic sections are present in series with such a strain gauge, or more generally in series with such a strain gauge unit. Although these absorb part of the change in stress, the strain gauge unit or its strain gauges also receive a certain part of the change in stress.
  • a strain gauge unit or some or all of the strain gauge units can be designed as a load cell. This has proven advantageous for typical applications.
  • a strain gauge unit or some or all strain gauge units can be designed to measure a distance between the first end element and the second end element.
  • the change in distance can be determined based on the measured distance.
  • a quantity corresponding to the distance such as strain or stress, can be used.
  • Such a distance can be understood in particular as an absolute value, with such a distance being able to be specified, for example, in a unit such as centimeters.
  • a change in the distance can then be specified as a quantity of change also in the dimension of the distance, or it can be given in the form of a derivative of the distance in terms of time or in terms of a change in distance over time.
  • the connecting elements can in particular run parallel to the direction. This allows for easy implementation.
  • the connecting elements can be parallel to one another.
  • the connecting elements can in particular be rod-shaped. This also corresponds to a simple design, which enables a simple transmission of force between the end elements.
  • the electrical energy store can advantageously have an evaluation unit which is configured to read out the one or more strain measurement units.
  • Such an evaluation unit can in particular be configured to carry out a method according to the invention as described herein. As a result, an evaluation can be integrated into the electrical energy store.
  • the evaluation unit can be designed, for example, to carry out voltage or resistance measurements.
  • the evaluation unit can also be configured for further evaluation functionalities or actions, for example for forwarding generated data, for adjusting operating parameters, for canceling a charging or discharging process or for issuing a warning.
  • the evaluation unit can be configured to carry out a method as described herein. This can be understood as reading out the strain gauge unit.
  • the energy storage cells can be designed in particular as electrochemical energy storage cells, as pouch cells and/or as lithium-ion batteries. This has proven itself for typical applications. However, the procedures described herein can also be used for other energy storage cells.
  • the energy storage device can be designed in particular as a stack or combination of energy storage cells. This can be the case in particular when there are a number of energy storage cells. In principle, however, the use of only one energy storage cell is also possible. Furthermore, a method for monitoring an electrical energy storage device, in particular an electrical energy storage device as described herein, is described, it being possible to fall back on all the embodiments and variants described herein with regard to the electrical energy storage device.
  • the procedure has the following steps:
  • a change in a distance which is typically ultimately due to a change in at least one of the energy storage cells, can be detected in a simple manner and measures to avoid critical states can be initiated in good time, for example. For example, a charging process or a current draw from the energy store can be terminated or an associated power can be reduced.
  • a warning message can also be issued, which can cause a driver of a motor vehicle, for example, to go to a workshop or to stop operating the motor vehicle at the next opportunity.
  • a warning can also be issued when the vehicle is stationary, since a fault can occur not only while the motor vehicle is in operation, but also when it is stationary. It can also be detected when stationary using the procedure described here.
  • the change can be detected in particular by a voltage change, resistance measurement and/or at least one strain gauge.
  • a voltage drop across a strain gauge or a current flowing through it or a resistance of the strain gauge can be read out. This enables a simple and reliable measurement.
  • An error condition can be identified in particular when the absolute change within a specified period of time is at least as large as a specified threshold value. This suggests that it is not just a thermal Expansion is, but that a possible critical change at least one of the energy storage cells is present.
  • a signal for controlling or regulating an operating state of the energy store can be generated, a charging process can be interrupted and/or a warning can be output.
  • the electrical energy store according to an embodiment described herein or a combination of such embodiments can be configured in particular to carry out a method according to the invention.
  • an evaluation unit or another controller can be configured for this purpose.
  • electrochemical energy stores for example from lithium-ion batteries
  • mobile for example in the drive battery of electric vehicles
  • stationary for example for the temporary storage of renewable energies.
  • the procedure described here makes it possible to detect the preliminary stages of a critical cell behavior early and without interference. Since only a very small energy source is required, the device works permanently even when the vehicles are switched off, for example parked. So far, the detection of elevated temperatures and performance parameters has often been used. However, these are subject to greater fluctuations, can usually only be detected selectively and are only determined in charging and driving mode. In the case of stationary storage systems, current safety concepts usually come into play much later, i.e. only when released combustible and toxic gases are detected.
  • the invention described herein makes it possible to recognize the first signs of such critical states at an early stage and thus to safely avoid potentially hazardous situations. This is made possible by measuring the force or displacement on the module, which is subject to fewer disturbance variables and continuously at very high levels low energy input is measurable. Strain gauges, for example, can be used for this.
  • FIG. 1 an electrical energy store according to a first
  • Fig. 2 an electrical energy store according to a second
  • Fig. 4 a timeline.
  • the electrical energy storage device 10 has a plurality of energy storage cells 20, which in the present case are designed as lithium-ion batteries in the form of pouch cells. Together they form a stack 25, the energy storage cells 20 being directly adjacent to one another along the vertical direction of FIG. Alternatively, the energy storage cells 20 can also adjoin one another indirectly, in which case, for example, a respective film can be provided between two adjacent energy storage cells 20 .
  • the stack 25 extends along this direction.
  • the energy storage cells 20 are electrically connected to one another by electrical connectors 22 .
  • a first terminating element in the form of a first terminating plate 30 is attached at the top.
  • a second terminating element in the form of a second terminating plate 35 is attached on the underside.
  • the first end plate 30 defines a first longitudinal end 26 of the stack 25.
  • the second end plate 35 defines a second longitudinal end 27 of the stack 25. All energy storage cells 20 are thus arranged between the end plates 30,35.
  • a first connecting element 41, a second connecting element 42, a third connecting element 43 and a fourth connecting element 44 run between the two end plates 30, 35. These are each on the first end plate 30 and attached to the second end plate 35 . Thus they define the position of the end plates 30, 35 relative to each other. In addition, they brace the end plates 30, 35 against one another, as will be described in more detail below.
  • a strain gauge unit in the form of a load cell 50 is provided in the first connecting element 41 .
  • a strain gauge 55 is located therein.
  • the measuring cell 50 is connected to the end plates 30, 35 via the first connecting element 41, so that in principle a change in the distance between the end plates 30, 35 can be measured by means of the measuring cell 50.
  • the first connecting element 41 has a first elastic section 61 between the measuring cell 50 and the first closing plate 30 .
  • the first connecting element 41 has a second elastic section 62 between the measuring cell 50 and the second closing plate 35 . Outside of the elastic sections 61, 62, the first connecting element 41 is rigid.
  • the second connecting element 42, the third connecting element 43 and the fourth connecting element 44 have respective elastic sections 63. FIG. Outside of these elastic sections 63 they are rigid. The elastic section of the fourth connecting element 44 is not visible in FIG. 1 .
  • the elastic sections 61, 62, 63 serve to apply a defined clamping force of the end plates 30, 35 against one another. As a result, the energy storage cells 20 are braced against one another, which fixes their position and leads to minimal expansion. If the energy storage cells 20 expand, for example due to thermal expansion, this can easily be compensated for due to the elasticity.
  • any change in distance between the end plates 30, 35 is also transmitted to the load cell 50. It can therefore also be detected by the strain gauge 55. If, for example, an undesirably high level of gas develops within one of the energy storage cells 20, for example due to a malfunction, the energy storage cell 20 expands and the distance between the end plates 30, 35 increases significantly. This can be detected using the strain gauge 55 .
  • the electrical energy store 10 also has an evaluation unit 12 which is connected to the load cell 50 so that a resistance measurement can be carried out via the strain gauges 55 .
  • a deformation of at least one of the energy storage cells 20 can be detected by means of the strain gauge 55 . If, for example, gas is generated in such an energy storage cell 20, the energy storage cell 20 expands along the vertical direction of FIG. 1 and thus causes the end plates 30, 35 to be pressed apart. This is possible due to the elasticity already described. This in turn leads to the expansion of the strain gauge 55 and thus to a change in resistance, which is detected by the evaluation unit 12 .
  • an absolute change in the voltage at the measuring cell 50 which exceeds a predetermined threshold value within a predetermined period of time, leads to the detection of an error state, whereupon, for example, charging of the electrical energy store 10 can be interrupted.
  • other precautionary measures such as a display on a dashboard of a motor vehicle can be triggered.
  • FIG. 2 shows an electrical energy store 10 according to a second exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows an electrical energy store 10 according to a second exemplary embodiment.
  • the evaluation unit 12 is not shown in FIG. 2 for the sake of simplicity.
  • the electrical energy store 10 In contrast to the embodiment of FIG. 1 , the electrical energy store 10 according to FIG.
  • the elastic sections 61, 62 located above and below are also corresponding to the first Connecting element 41 running. In the case of the fourth connecting element 44, this is not visible in FIG.
  • the energy store 10 has a total of four strain gauge elements, which not only indicate a single change in a distance, but also indicate a change in the orientation of the two end plates 30, 35 relative to one another.
  • the first end plate 30 can be tilted in comparison to the second end plate 35, so that the two end plates 30, 35 are no longer parallel to one another. This is possible due to the elasticity already described. Such a tilting can be detected by means of the measuring cells 50, as a result of which further conclusions about a possible malfunction of one of the energy storage cells 20 are possible.
  • FIG. 3 schematically shows an electrical energy store 10 according to a third exemplary embodiment.
  • electrical energy storage cells 20 are also arranged between a first end plate 30 and a second end plate 35 .
  • the end plates 30, 35 are braced against one another by connecting elements 41, 42.
  • the strain measuring unit in the form of a measuring cell 50 is not arranged in one of the connecting elements 41, 42, but rather between the energy storage cells 20 and the second end plate 35. If, for example, one of the energy storage cells 20 expands too much due to a malfunction, this increases at the load cell 50 the pressure, which can be measured in a manner similar to that described with reference to FIGS. This can also be used to detect such a misconduct.
  • FIG. 4 shows measurement times along a timeline which indicates the time t.
  • a first time period ti is shown in which an electrical energy store of a motor vehicle is not operated, ie it is neither charged nor is current drawn from it to drive a drive motor of the motor vehicle. Accordingly, the measurement times are set at a first measurement rate, which is small and thus provides large intervals between the measurement times.
  • a second time period t2 in which the energy store is charged in the present case.
  • There is thus a second measurement rate for fixing the Measurement times used which is significantly higher and thus leads to much shorter intervals between the measurement times. Monitoring is considerably more intensive here in order to detect any malfunctions more quickly.
  • steps of the method according to the invention can be carried out in the order given. However, they can also be executed in a different order, as far as this is technically reasonable.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that no further steps are carried out. In principle, however, further steps can also be carried out, including those which are not mentioned.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, bei welchem eine Dehnungsmesseinheit während eines Ruhezustands des Energiespeichers mit einer ersten Messrate ausgelesen wird und zumindest teilweise während eines Betriebs des Energiespeichers die Dehnungsmesseinheit mit einer zweiten, größeren Messrate ausgelesen wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Energiespeicher zur Ausführung eines solchen Verfahrens.

Description

Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers und elektrischer Energiespeicher
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers sowie einen zugehörigen elektrischen Energiespeicher zur Ausführung eines solchen Verfahrens.
Elektrische Energiespeicher weisen typischerweise eine oder mehrere Energiespeicherzellen auf, wobei derartige Energiespeicherzellen insbesondere zum elektrochemischen Speichern von Energie ausgebildet sein können. Typischerweise sind diese wiederaufladbar, so dass nach einer vollständigen oder zumindest teilweisen Stromentnahme wieder Strom zugeführt und gespeichert werden kann. Solche elektrischen Energiespeicher können beispielsweise zur Stromversorgung von Kraftfahrzeugen, anderen mobilen Einheiten oder auch stationären Einheiten verwendet werden.
Typische Energiespeicherzellen wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien haben die Eigenschaft, dass sie bei einer Überbeanspruchung in einen nicht mehr beherrschbaren exothermen Prozess übergehen können. Man spricht hierbei auch von einem „Thermal Runaway“.
Bekannte Vorgehensweisen bei der Überwachung eines elektrischen Energiespeichers haben sich als zu unflexibel für typische Anwendungsfälle wie beispielsweise in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug erwiesen.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers bereitzustellen, welches im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ oder besser ausgeführt ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, einen Energiespeicher zur Ausführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und einen elektrischen Energiespeicher gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers. Der Energiespeicher weist zweckmäßig eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen auf, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind. Der Energiespeicher weist zweckmäßig mindestens eine Dehnungsmesseinheit auf, welche zur Bestimmung einer Veränderung eines Abstands ausgebildet ist, wobei der Abstand anzeigend ist für eine Gesamtlänge der Energiespeicherzellen entlang der Richtung.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
Festlegen mindestens einer ersten Messrate und einer zweiten Messrate, wobei die erste Messrate kleiner ist als die zweite Messrate, außerhalb eines Betriebs des Energiespeichers: Auslesen der Dehnungsmesseinheit mit der ersten Messrate, und zumindest teilweise während eines Betriebs des Energiespeichers: Auslesen der Dehnungsmesseinheit mit der zweiten Messrate.
Durch eine solche Vorgehensweise kann erreicht werden, dass Messraten für jeweilige Zustände oder Verwendungssituationen in geeigneter Weise angepasst werden können. Insbesondere kann außerhalb eines Betriebs des Energiespeichers eine kleinere Messrate verwendet werden, welche somit auch weniger Energie verbraucht. Dadurch kann insbesondere ermöglicht werden, dass der Energiespeicher während des Betriebs mit einer vergleichsweise hohen Messrate überwacht wird, um unmittelbar eventuelle Fehlerzustände zu erkennen, jedoch außerhalb seines Betriebs nur mit einer kleineren Messrate überwacht wird, wodurch Energie eingespart wird und somit eine Überwachung beispielsweise auch im Stand ermöglicht wird. Typischerweise sind Standzeiten von Kraftfahrzeugen erheblich länger als Fahrzeiten oder auch Ladezeiten, und die Geschwindigkeit, mit der sich eine signifikante Fehlfunktion ausprägt, ist typischerweise geringer. Durch die Verwendung der verhältnismäßig kleinen ersten Messrate kann in einer solchen Situation Energie eingespart werden und trotzdem für eine ausreichende Überwachung gesorgt werden. Insbesondere kann auch vollständig während des Betriebs des Energiespeichers die Dehnungsmesseinheit mit der zweiten Messrate ausgelesen werden.
Der Energiespeicher kann insbesondere so ausgebildet sein, wie an anderer Stelle hierin beschrieben. Auch andere Ausführungen von Energiespeichern sind jedoch möglich. Grundsätzlich kann das Verfahren bei jedem Energiespeicher angewandt werden, welcher eine Messung einer Veränderung eines Abstands ermöglicht.
Eine Messrate gibt insbesondere vor, wie oft ein Wert innerhalb eines bestimmten Zeitraums gemessen wird. Je höher die Messrate desto mehr Werte werden innerhalb eines Zeitraums gemessen. Die Messrate kann insbesondere angeben, wie viele Messungen pro Sekunde durchgeführt werden. Es kann auch eine andere Zeiteinheit verwendet werden.
Der Abstand kann beispielsweise identisch mit der Gesamtlänge sein. Abstand und Gesamtlänge können jedoch auch auf andere Weise korreliert sein. Insbesondere kann ein Zusammenhang zwischen Abstand und Gesamtlänge geometrisch vorgegeben sein. Die Gesamtlänge kann beispielsweise entlang einer Strecke angegeben werden, welche parallel zur Richtung ist oder welche identisch zur Richtung ist. Beispielsweise kann sie eventuelle Auswölbungen der Energiespeicherzellen berücksichtigen.
Die erste Messrate kann insbesondere höchstens 0,05 s_1 oder höchstens 0,01 s_1 betragen. Derartige Werte haben sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere kann die erste Messrate auch höchstens 0,005 s-1 oder höchstens 0,003 s-1 betragen. Damit kann noch mehr Energie eingespart werden, und es ist trotzdem eine ausreichende Überwachung gewährleistet. Bevorzugt beträgt die erste Messrate mindestens 0,001 s_1 oder mindestens 0,003 s’1. Dadurch wird eine ausreichende Überwachung gewährleistet, ohne zu viel Energie zu verbrauchen. Es sei erwähnt, dass die hier gegebenen oberen und unteren Grenzwerte möglicher Messraten bevorzugte Ausgestaltungen darstellen, jedoch auch andere Werte verwendet werden können. Aus den angegebenen Werten können geeignete Intervalle gebildet werden. Bevorzugt stellen ausschließlich ein Laden und eine Stromentnahme einen Betrieb des Energiespeichers dar. Anders ausgedrückt befindet sich der Energiespeicher außerhalb eines Betriebs, wenn er weder geladen wird noch Strom aus ihm entnommen wird. Unter einem Laden sei dabei insbesondere ein absichtliches Zuführen von elektrischer Energie verstanden, welche insbesondere chemisch in den Energiespeicherzellen gespeichert wird. Eine Stromentnahme stellt den umgekehrten Fall dar, wobei chemische Energie in den Energiespeicherzellen in elektrische Energie umgesetzt wird und diese elektrische Energie entnommen wird, um damit eine Einrichtung wie beispielsweise einen Elektromotor anzutreiben. Beispielsweise wird eine nur sehr geringfügige Stromentnahme, welche im Stand eines Kraftfahrzeugs erforderlich ist, um Funktionalitäten wie beispielsweise die hierin beschriebene Überwachung oder eine gelegentliche Aktualisierung von Verkehrsdaten vorzunehmen, nicht als Stromentnahme betrachtet. Es kann somit ein Grenzwert festgesetzt werden, ab welchem von einer Stromentnahme gesprochen wird. Derartige Funktionalitäten im Stand können jedoch insbesondere auch aus einer separaten Fahrzeugbatterie versorgt werden, so dass aus einem überwachten elektrischen Energiespeicher im Stand tatsächlich kein Strom entnommen wird.
Gemäß einer Ausführung kann beim Festlegen auch eine dritte Messrate festgelegt werden, welche größer als die erste Messrate ist und unterschiedlich ist zur zweiten Messrate. Dadurch kann der Fall eines Betriebs des Energiespeichers noch weiter differenziert werden. Hierauf wird nachfolgend eingegangen werden. Der Schritt des Auslesens während eines Betriebs kann insbesondere folgendermaßen ausgeführt werden: während eines Ladens des Energiespeichers: Auslesen der Dehnungsmesseinheit mit der zweiten Messrate, und während einer Stromentnahme aus dem Energiespeicher: Auslesen der Dehnungsmesseinheit mit der dritten Messrate.
Dadurch kann auch zwischen den Prozessen Laden und Stromentnahme bezüglich der Messrate differenziert werden, um Stromverbrauch und Überwachungshäufigkeit noch besser anzupassen. Gemäß einer hierzu alternativen Ausführung kann der Schritt des Auslesens während eines Betriebs folgendermaßen ausgeführt werden: während eines Ladens des Energiespeichers und während einer Stromentnahme aus dem Energiespeicher: Auslesen der Dehnungsmesseinheit mit der zweiten Messrate.
Dadurch kann auf eine Differenzierung zwischen den beiden Betriebsarten Laden und Stromentnahme verzichtet werden, und es kann stattdessen die gleiche Messrate verwendet werden. Dadurch kann eine besonders einfache Ausführung erreicht werden.
Die zweite Messrate und/oder die dritte Messrate können insbesondere mindestens 0,1 s’1 oder mindestens 0,5 s-1 betragen. Die zweite Messrate und/oder die dritte Messrate können insbesondere höchstens 0,5 s-1, höchstens 1 s-1 oder höchstens 5 s-1 betragen. Derartige obere und untere Grenzen möglicher Intervalle haben sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Auch andere Werte können jedoch verwendet werden.
Außerhalb eines Betriebs des Energiespeichers wird der Energiespeicher typischerweise nicht geladen und es wird kein Strom aus ihm entnommen. Es kann auch vorgesehen sein, dass er außerhalb eines Betriebs des Energiespeichers nicht geladen wird und höchstens ein sehr geringer, beispielsweise unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes oder Schwellenwerts liegender Strom, aus ihm entnommen wird. Ein solcher Strom dient dann typischerweise nicht dem Antrieb einer der Bewegung des Kraftfahrzeugs dienenden Maschine, sondern lediglich dem Aufrechterhalten von Funktionen, die wenig Strom verbrauchen und welche im Stand ausgeführt werden, beispielsweise eine Überwachung eines Funkschlüssels oder eine Aktualisierung von Verkehrsdaten.
Jedes Auslesen kann insbesondere für einen vorbestimmten Messzeitraum ausgeführt werden. Mit anderen Worten kann eine jeweilige Messrate vorgeben, wie häufig ausgelesen wird, und der Messzeitraum gibt vor, wie lang jede einzelne Messung dauert. Der Messzeitraum ist typischerweise so kurz, dass er vor der nächsten Messung, insbesondere deutlich vor der nächsten Messung, beendet ist. Beispielsweise kann der Messzeitraum weniger als die Hälfte, weniger als 10 %, weniger als 5 % oder weniger als 1 % eines Abstands zwischen zwei Messungen betragen.
Das Auslesen bei einer jeweiligen Messrate kann insbesondere in konstanten Zeitabständen erfolgen. Dies entspricht einer besonders einfachen Ausführung. Anders ausgedrückt wird in gleichmäßigen Zeitabständen gemessen, welche insbesondere durch das Inverse der Messrate berechnet werden können. Auch andere Ausführungen sind hier jedoch möglich, wobei beispielsweise unterschiedliche Abstände verwendet werden können. Die erwähnten Messraten geben in diesem Fall vor, wie häufig gemittelt über einen längeren Zeitraum von beispielsweise einer Minute gemessen wird.
Der Energiespeicher kann insbesondere ein erstes Abschlusselement und ein zweites Abschlusselement aufweisen, wobei das erste Abschlusselement an eine erste endseitige Energiespeicherzelle angrenzt und das zweite Abschlusselement an eine zweite endseitige Energiespeicherzelle angrenzt, so dass sich die Energiespeicherzellen zwischen den Abschlusselementen erstrecken. Für den Fall, dass nur eine Energiespeicherzelle vorhanden ist, kann diese als endseitige Energiespeicherzelle in beiden Richtungen verstanden werden. Typischerweise grenzen dann beide Abschlusselemente an diese Energiespeicherzelle an. Die Abschlusselemente können separat ausschließlich dem Energiespeicher zugeordnet sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschlusselement Bestandteil eines anderen Elements des Kraftfahrzeugs ist und/oder eine zusätzliche Funktion hat. Beispielsweise kann ein Abschlusselement gleichzeitig eine Batteriewanne und/oder ein Bestandteil einer Karosserie des Kraftfahrzeugs sein. Der Energiespeicher kann insbesondere ein Verbindungselement oder mehrere Verbindungselemente aufweisen, wobei jedes Verbindungselement das erste Abschlusselement und das zweite Abschlusselement mechanisch miteinander verbindet. Die mindestens eine Dehnungsmesseinheit kann insbesondere in einem der Verbindungselemente angeordnet sein, und der Abstand zwischen den Abschlusselementen kann entlang des jeweiligen Verbindungselements definiert sein. Mittels einer solchen Ausführung ist eine besonders kompakte Bauart eines Energiespeichers möglich, welcher mittels des hierin beschriebenen Verfahrens in bevorzugter Weise überwacht werden kann. Alternativ ist es jedoch beispielsweise möglich, die Dehnungsmesseinheit zwischen den Energiespeicherzellen und einem Abschlusselement anzuordnen.
Der Energiespeicher kann insbesondere zwei, drei oder vier Dehnungsmesseinheiten aufweisen, welche in jeweils einem Verbindungselement angeordnet sind. Jede Dehnungsmesseinheit kann insbesondere separat ausgelesen werden. Dadurch können zusätzlich zur Überwachung eines Abstands auch weitere Abstände überwacht werden, wodurch beispielsweise eine Verkippung der Abschlusselemente zueinander erkannt werden kann. Auch dies kann Rückschlüsse auf mögliche Fehlerzustände erlauben.
Insbesondere können alle Dehnungsmesseinheiten gleichzeitig oder in unveränderlichen Zeitrelationen zueinander ausgelesen werden. Dies entspricht einer einfachen Ausführung. Auch andere Ausführungen sind hier jedoch möglich.
Das Verfahren kann insbesondere folgenden Schritt aufweisen: Erkennen eines Zustands anhand der Veränderung.
Beispielsweise kann ein Fehlerzustand erkannt werden, wenn die Veränderung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums absolut mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Schwellenwert. Ein solcher Fehlerzustand kann beispielsweise auf ein Fehlverhalten von zumindest einer Energiespeicherzelle hinweisen. Ansprechend auf ein Erkennen eines Fehlerzustands kann insbesondere ein Signal zur Steuerung oder Regelung eines Betriebszustands des Energiespeichers erzeugt werden, ein Ladevorgang unterbrochen werden und/oder eine Warnung ausgegeben werden. Dadurch können geeignete Schutzmaßnahmen eingeleitet werden, welche weitere Schäden vermeiden.
Die Veränderung ist insbesondere die Veränderung des bereits weiter oben erwähnten Abstands, welcher durch Auslesen der Dehnungsmesseinheit oder der Dehnungsmesseinheiten mit der jeweiligen Messrate ermittelt werden kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen elektrischen Energiespeicher, wobei der elektrische Energiespeicher eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen aufweist, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind. Der elektrische Energiespeicher weist mindestens eine Dehnungsmesseinheit auf, welche zur Bestimmung einer Veränderung eines Abstands ausgebildet ist, wobei der Abstand anzeigend ist für eine Gesamtlänge der Energiespeicherzellen entlang der Richtung. Der elektrische Energiespeicher ist dazu konfiguriert, ein Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher eine Auswertungseinheit aufweisen, welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen.
Nachfolgend wird ein möglicher elektrischer Energiespeicher beschrieben, mit welchem das Verfahren besonders vorteilhaft angewendet werden kann. Alle beschriebenen Ausführungen des elektrischen Energiespeichers können dabei verwendet werden. Der elektrische Energiespeicher kann jedoch auch als eigenständige Erfindung angesehen werden, welche unabhängig von dem Verfahren implementierbar ist, welches die Verwendung unterschiedlicher Messraten betrifft. Des Weiteren wird nachfolgend auch noch ein weiteres Verfahren beschrieben, welches ebenfalls als eigenständige Erfindung angesehen werden kann.
Beschrieben wird ein elektrischer Energiespeicher. Der elektrische Energiespeicher weist eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen auf, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind. Der elektrische Energiespeicher weist ein erstes Abschlusselement und ein zweites Abschlusselement auf, wobei das erste Abschlusselement an eine erste endseitige Energiespeicherzelle angrenzt und das zweite Abschlusselement an eine zweite endseitige Energiespeicherzelle angrenzt, so dass sich die Energiespeicherzellen zwischen den Abschlusselementen erstrecken.
Der elektrische Energiespeicher weist ein Verbindungselement oder mehrere Verbindungselemente auf, wobei jedes Verbindungselement das erste Abschlusselement und das zweite Abschlusselement mechanisch miteinander verbindet. Der elektrische Energiespeicher weist ferner mindestens eine Dehnungsmesseinheit auf, welche in einem Verbindungselement angeordnet ist, und zwar zur Bestimmung einer Veränderung eines Abstands zwischen den Abschlusselementen entlang des jeweiligen Verbindungselements.
Mittels eines solchen elektrischen Energiespeichers kann eine Änderung einer Länge zwischen den Abschlusselementen erkannt werden. Eine solche Längenänderung weist typischerweise darauf hin, dass sich zumindest eine der Energiespeicherzellen verformt hat. Eine solche Verformung ist typischerweise ein Anzeichen dafür, dass in einer elektrischen Energiespeicherzelle chemische Prozesse stattfinden, welche über einen normalen Lade- oder Entladevorgang hinausgehen. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Gasentwicklung handeln, welche bei Überlastung auftreten kann und dazu führen kann, dass sich die Energiespeicherzelle aufgrund eines intern entstehenden Überdrucks ausdehnt. Eine solche Ausdehnung kann somit ein Hinweis auf ein Fehlverhalten oder auf eine eventuell bevorstehende Temperaturerhöhung sein. Dementsprechend können beispielsweise Parameter bezüglich Verwendung der Energiespeicherzelle angepasst werden oder es kann beispielsweise ein Lade- oder Entnahmevorgang unterbrochen oder eine Warnung ausgegeben werden. Dies ermöglicht es, schon auf sich abzeichnende Fehlerzustände rechtzeitig zu reagieren und damit eventuellen Schäden vorzubeugen.
Die Anordnung der Dehnungsmesseinheit oder auch von mehreren Dehnungsmesseinheiten in jeweils einem Verbindungselement hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, da die Dehnungsmesseinheit somit seitlich neben den Energiespeicherzellen angeordnet werden kann, also nicht so angeordnet werden muss, dass sich der Gesamtaufbau entlang der bereits erwähnten Richtung verlängert. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung. Außerdem wird das ansonsten bestehende Problem vermieden, dass bei Anordnung einer Dehnungsmesseinheit zwischen Energiespeicherzellen und einem Abschlusselement aufgrund unterschiedlicher Dimensionen ein Kontakt schwer herstellbar ist oder eine aufwändige Dimensionsanpassung erfolgen muss. Die Verbindungselemente hätten auch ohne Dehnungsmesseinheit eine Funktion im elektrischen Energiespeicher, und die Integration einer Dehnungsmesseinheit in ein solches Verbindungselement ist konstruktiv einfach und insbesondere ohne zusätzliche Bauraumerfordernis umsetzbar. Bei den Energiespeicherzellen kann es sich insbesondere um elektrische oder elektrochemische Energiespeicherzellen handeln.
Eine Anordnung, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart ist, kann insbesondere bedeuten, dass die Energiespeicherzellen entlang der Richtung gesehen unmittelbar aneinander angrenzen, oder auch, dass zwischen den Energiespeicherzellen jeweilige Zwischenelemente wie beispielsweise Folien, Platten oder Abstandshalter vorhanden sind. Typischerweise führt eine Verformung einer der Energiespeicherzellen somit zumindest zu einer Änderung der Gesamtlänge des elektrischen Energiespeichers entlang der Richtung oder entlang einer anderen Messlinie. Dies kann durch die bereits erwähnte mindestens eine Dehnungsmesseinheit aufgenommen und gemessen werden.
Für den Fall der Verwendung nur einer Energiespeicherzelle grenzt diese natürlich nicht an andere Energiespeicherzellen des Energiespeichers an.
Für den Fall, dass nur eine Energiespeicherzelle vorhanden ist, kann diese als endseitige Energiespeicherzelle in beiden Richtungen verstanden werden.
Typischerweise grenzen dann beide Abschlusselemente an diese Energiespeicherzelle an. Die Abschlusselemente können separat ausschließlich dem Energiespeicher zugeordnet sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschlusselement Bestandteil eines anderen Elements des Kraftfahrzeugs ist und/oder eine zusätzliche Funktion hat. Beispielsweise kann ein Abschlusselement gleichzeitig eine Batteriewanne und/oder ein Bestandteil einer Karosserie des Kraftfahrzeugs sein.
Entlang der Richtung kann sich typischerweise ein Stapel von Energiespeicherzellen erstrecken. Beispielsweise kann jede Energiespeicherzelle einen Querschnitt aufweisen, welcher quer zur Richtung angeordnet ist und sich entlang der Richtung typischerweise nicht oder nur geringfügig ändert. Dies kann beispielsweise bei Pouch- Zellen der Fall sein. Die Richtung kann typischerweise bei einem elektrischen Energiespeicher in sinnvoller Weise gewählt werden. Sie muss nicht zwingend optisch an Komponenten erkennbar sein, kann jedoch in vielen Fällen parallel und/oder quer zu diversen Komponenten des elektrischen Energiespeichers sein. Die Richtung kann insbesondere parallel zu den Verbindungselementen sein. Das erste Abschlusselement kann insbesondere als Abschlussplatte ausgebildet sein. Ebenso kann das zweite Abschlusselement insbesondere als Abschlussplatte ausgebildet sein. Derartige Platten können beispielsweise parallel zu den Energiespeicherzellen angeordnet sein. Sie können insbesondere den elektrischen Energiespeicher an jeweiligen Seiten abschließen. Insbesondere können die Energiespeicherzellen zwischen den beiden Abschlusselementen verspannt sein.
Insbesondere können das Verbindungselement oder die Verbindungselemente dafür sorgen, dass die beiden Abschlusselemente gegeneinander verspannt werden.
Dadurch kann ein Druck auf die Energiespeicherzellen erzeugt werden, welcher diese zusammenhält. Des Weiteren können die Verbindungselemente dazu ausgebildet sein, die Position der beiden Abschlusselemente zueinander zu definieren.
Ein Abstand zwischen den Abschlusselementen entlang des jeweiligen Verbindungselements kann beispielsweise ein Abstand zwischen einem ersten Verbindungspunkt und einem zweiten Verbindungspunkt sein, wobei das Verbindungselement am ersten Verbindungspunkt mit dem ersten Abschlusselement verbunden ist oder zumindest daran angrenzt und wobei das Verbindungselement an dem zweiten Verbindungspunkt mit dem zweiten Abschlusselement verbunden ist oder zumindest daran angrenzt. Typischerweise verlaufen die Verbindungselemente geradlinig, so dass der jeweilige Abstand entlang eines solchen Verbindungselements gemessen werden kann. Dementsprechend kann auch eine Veränderung eines solchen Abstands bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführung weist der elektrische Energiespeicher lediglich eine Dehnungsmesseinheit auf. Dies entspricht einer einfachen Ausführung, welche typischerweise bereits ausreicht, um möglicherweise kritische Zustände oder sonstige Veränderungen in den Energiespeicherzellen zu erkennen. Gemäß jeweiligen Ausführungen weist der elektrische Energiespeicher zwei, drei oder vier Dehnungsmesseinheiten auf, welche in jeweils einem Verbindungselement angeordnet sind. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher vier Verbindungselemente aufweisen, und in jedem dieser Verbindungselemente kann eine Dehnungsmesseinheit angeordnet sein. Ebenso kann auch nur in einigen der Verbindungselemente eine jeweilige Dehnungsmesseinheit angeordnet sein.
Vorzugsweise kann bei einem Verbindungselement, einigen oder allen Verbindungselementen mit Dehnungsmesseinheit zwischen der Dehnungsmesseinheit und dem ersten Abschlusselement ein elastischer Abschnitt ausgebildet sein. Ebenso kann vorzugsweise bei einem Verbindungselement, einigen oder allen Verbindungselementen mit Dehnungsmesseinheit zwischen der Dehnungsmesseinheit und dem zweiten Abschlusselement ein elastischer Abschnitt ausgebildet sein. Derartige elastische Abschnitte können dafür sorgen, dass in Serie mit einer jeweiligen Dehnungsmesseinheit eine elastische Dehnung des jeweiligen Verbindungselements möglich ist. Dadurch kann das jeweilige Verbindungselement auch bei Vorhandensein einer Dehnungsmesseinheit dazu genutzt werden, um die beiden Abschlusselemente gegeneinander zu verspannen. Typischerweise sind die elastischen Abschnitte in einem Ruhezustand zumindest leicht gespannt, so dass die beiden Abschlusselemente aufeinander zu gespannt werden. Dies kann auch in Verbindung mit Verbindungselementen erfolgen, welche keine Dehnungsmesseinheit aufweisen und welche ebenfalls elastische Abschnitte aufweisen können. Insbesondere können in allen Verbindungselementen ein jeweiliger elastischer Abschnitt oder auch mehrere elastische Abschnitte ausgebildet sein.
Insbesondere kann bei einem Verbindungselement, einigen oder allen Verbindungselementen ohne Dehnungsmesseinheit zwischen dem ersten Abschlusselement und dem zweiten Abschlusselement ein elastischer Abschnitt ausgebildet sein. Ein solcher elastischer Abschnitt kann ebenfalls dafür sorgen, dass die beiden Abschlusselemente aufeinander zu verspannt werden und somit eine die Energiespeicherzellen zusammenhaltende Kraft erzeugt wird.
Insbesondere können die Verbindungselemente außerhalb von elastischen Abschnitten und Dehnungsmesseinheiten starr sein. Dadurch kann eine Übertragung der von den elastischen Abschnitten und/oder von den Dehnungsmesseinheiten erzeugten elastischen Kräfte auf die Abschlusselemente erfolgen. Die Verbindungselemente können insbesondere eine identische oder zumindest in etwa identische Kraft erzeugen, welche die Abschlusselemente aufeinander zu spannt. Dies gilt insbesondere unabhängig davon, ob in den Verbindungselementen Dehnungsmesseinheiten enthalten sind oder nicht.
Das erste Abschlusselement kann insbesondere unmittelbar an eine endseitige Energiespeicherzelle angrenzen. Ebenso kann das zweite Abschlusselement unmittelbar an eine endseitige Energiespeicherzelle angrenzen. Dadurch können die Abschlusselemente die Energiespeicherzellen abschließen und beispielsweise einen Druck auf diese ausüben, um sie in sinnvoller Weise zusammenzuhalten. Bei einer Verformung zumindest einer der Energiespeicherzellen kann eine solche Verformung unmittelbar auf die Abschlusselemente übertragen werden, so dass eine entsprechende Veränderung eines Abstands gemessen werden kann. Es können beispielsweise auch jeweilige Folien zwischen Abschlusselement und endseitiger Energiespeicherzelle vorgesehen sein.
Endseitige Energiespeicherzellen sind insbesondere solche, an welche entlang der Richtung gesehen nur eine andere Energiespeicherzelle angrenzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die Energiespeicherzellen zwischen den Abschlusselementen verspannt. Dadurch können diese in vorteilhafter Weise in Position gehalten werden. Geringfügige Ausdehnungen, beispielsweise aufgrund von thermischen Längenveränderungen, sind dabei typischerweise möglich. Die Abschlusselemente können insbesondere mittels der Verbindungselemente gegeneinander verspannt werden. Hierzu können beispielsweise die weiter oben bereits erwähnten elastischen Abschnitte verwendet werden. Dadurch kann ein gewisser Druck auf die Energiespeicherzellen ausgeübt werden, um diese in Position zu halten. Das erste Abschlusselement kann insbesondere als Abschlussplatte ausgebildet sein. Ebenso kann das zweite Abschlusselement als Abschlussplatte ausgebildet sein. Derartige Abschlussplatten können sich beispielsweise über einen Querschnitt der Energiespeicherzellen quer zur bereits weiter oben erwähnten Richtung erstrecken und können somit den elektrischen Energiespeicher in vorteilhafter Weise abschließen. Die Energiespeicherzellen können insbesondere plastisch und/oder elastisch deformierbar sein. Unter einer plastischen Deformation sei insbesondere eine Deformation verstanden, welche dauerhaft ist und ganz oder zumindest teilweise verbleibt, wenn der Grund hierfür wegfällt. Eine elastische Deformation geht demgegenüber ganz oder zumindest weit überwiegend wieder zurück, wenn der Grund hierfür wegfällt. Eine Deformation kann insbesondere bei der bereits weiter oben erwähnten Gasentwicklung auftreten.
Vorzugsweise kann eine Dehnungsmesseinheit oder können einige oder alle Dehnungsmesseinheiten jeweils mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufweisen. Ein solcher Dehnungsmessstreifen kann insbesondere eine anliegende Spannung aufnehmen, welche sich beispielsweise erhöht, wenn in einer der Energiespeicherzellen eine unerwünschte Gasentwicklung stattfindet und sich diese Energiespeicherzelle deshalb ausdehnt. Dies ist auch dann möglich, wenn in Serie zu einem solchen Dehnungsmessstreifen, oder allgemeiner gesagt in Serie zu einer solchen Dehnungsmesseinheit, einer oder mehrere elastische Abschnitte vorhanden sind. Diese nehmen zwar einen Teil der Spannungsänderung auf, auch die Dehnungsmesseinheit oder deren Dehnungsmessstreifen erhalten jedoch einen gewissen Teil der Spannungsänderung.
Insbesondere kann eine Dehnungsmesseinheit oder können einige oder alle Dehnungsmesseinheiten als Kraftmessdose ausgebildet sein. Dies hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen.
Insbesondere kann eine Dehnungsmesseinheit oder können einige oder alle Dehnungsmesseinheiten zur Messung eines Abstands zwischen dem ersten Abschlusselement und dem zweiten Abschlusselement ausgebildet sein. Insbesondere kann die Veränderung des Abstands basierend auf dem gemessenen Abstand bestimmt werden. Äquivalent dazu kann eine Größe verwendet werden, die mit dem Abstand korrespondiert, beispielsweise eine Dehnung oder eine Spannung. Ein solcher Abstand kann insbesondere als absolute Größe verstanden werden, wobei ein solcher Abstand beispielsweise in einer Einheit wie Zentimeter angegeben werden kann. Eine Veränderung des Abstands kann dann als Änderungsgröße ebenfalls in der Dimension des Abstands angegeben werden, oder sie kann in Form einer Ableitung des Abstands nach der Zeit oder in Form einer Änderung des Abstands mit der Zeit angegeben werden.
Die Verbindungselemente können insbesondere parallel zur Richtung verlaufen. Dies erlaubt eine einfache Ausführung. Insbesondere können die Verbindungselemente parallel zueinander sein. Die Verbindungselemente können insbesondere stangenförmig ausgebildet sein. Auch dies entspricht einer einfachen Ausführung, welche eine einfache Kraftübertragung zwischen den Abschlusselementen ermöglicht.
Der elektrische Energiespeicher kann vorteilhaft eine Auswertungseinheit aufweisen, welche dazu konfiguriert ist, die eine oder mehreren Dehnungsmesseinheiten auszulesen. Eine solche Auswertungseinheit kann insbesondere dazu konfiguriert sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen. Dadurch kann eine Auswertung in den elektrischen Energiespeicher integriert werden.
Die Auswertungseinheit kann beispielsweise zur Durchführung von Spannungs- oder Widerstandsmessungen ausgebildet sein. Die Auswertungseinheit kann auch zu weiteren Auswertungsfunktionalitäten oder Aktionen konfiguriert sein, beispielsweise zur Weitergabe erzeugter Daten, zur Anpassung von Betriebsparametern, zum Abbrechen eines Lade- oder Entladevorgangs oder zur Ausgabe einer Warnung. Insbesondere kann die Auswertungseinheit zur Durchführung eines Verfahrens wie hierin beschrieben konfiguriert sein. Dies kann als Auslesen der Dehnungsmesseinheit verstanden werden.
Die Energiespeicherzellen können insbesondere als elektrochemische Energiespeicherzellen, als Pouch-Zellen und/oder als Lithium-Ionen-Batterien ausgebildet sein. Dies hat sich für typische Anwendungen bewährt. Auch für andere Energiespeicherzellen sind die hierin beschriebenen Vorgehensweisen jedoch verwendbar.
Der Energiespeicher kann insbesondere als Stapel oder Verbund der Energiespeicherzellen ausgebildet sein. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn mehrere Energiespeicherzellen vorhanden sind. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung von nur einer Energiespeicherzelle möglich. Beschrieben wird des Weiteren ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines elektrischen Energiespeichers wie hierin beschrieben, wobei bezüglich des elektrischen Energiespeichers auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
Bestimmen einer Veränderung mindestens eines Abstands zwischen den Abschlusselementen über die Zeit, und
Erkennen eines Zustands anhand der Veränderung.
Dadurch kann eine Veränderung eines Abstands, welche typischerweise letztlich auf einer Veränderung von mindestens einer der Energiespeicherzellen zurückgeht, in einfacher Weise erkannt werden und es können beispielsweise rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung kritischer Zustände eingeleitet werden. Beispielsweise kann ein Ladevorgang oder eine Stromentnahme aus dem Energiespeicher beendet oder eine zugehörige Leistung reduziert werden. Auch kann eine Warnmeldung ausgegeben werden, welche beispielsweise einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs dazu veranlassen kann, eine Werkstatt aufzusuchen oder den Betrieb des Kraftfahrzeugs bei nächster Gelegenheit einzustellen. Auch im Stand kann eine Warnung ausgegeben werden, da eine Störung nicht nur während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs, sondern auch im Stand entstehen kann. Sie kann mittels der hierin beschriebenen Vorgehensweise auch im Stand detektiert werden.
Die Veränderung kann insbesondere durch eine Spannungsänderung, Widerstandsmessung und/oder mindestens einen Dehnungsmessstreifen erkannt werden. Beispielsweise kann eine über einen Dehnungsmessstreifen abfallende Spannung oder ein dadurch fließender Strom oder ein Widerstand des Dehnungsmessstreifens ausgelesen werden. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige Messung.
Ein Fehlerzustand kann insbesondere erkannt werden, wenn die Veränderung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums absolut mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Schwellenwert. Dies deutet darauf hin, dass es sich nicht nur um eine thermische Ausdehnung handelt, sondern dass eine mögliche kritische Veränderung zumindest einer der Energiespeicherzellen vorliegt.
Insbesondere kann ansprechend auf ein Erkennen eines Fehlerzustands ein Signal zur Steuerung oder Regelung eines Betriebszustands des Energiespeichers erzeugt werden, ein Ladevorgang unterbrochen werden und/oder eine Warnung ausgegeben werden. Dadurch können möglicherweise kritische Zustände wirkungsvoll vermieden werden, da für den Fall, dass sich beispielsweise in einer der Energiespeicherzellen unerwünschterweise Gase bilden, eine weitere Gasbildung und somit mögliche Beschädigungen verhindert werden.
Der elektrische Energiespeicher gemäß einer hierin beschriebenen Ausführung oder einer Kombination solcher Ausführungen kann insbesondere dazu konfiguriert sein, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Insbesondere kann eine Auswertungseinheit oder eine sonstige Steuerung dazu konfiguriert sein.
Elektrische und insbesondere elektrochemische Energiespeicher, beispielsweise aus Lithium-Ionen-Batterien, werden zukünftig voraussichtlich sowohl mobil, in der Antriebsbatterie beispielsweise von Elektrofahrzeugen, wie auch stationär, beispielsweise zur Zwischenspeicherung erneuerbarer Energien, verstärkt Verwendung finden. Die hierin beschriebene Vorgehensweise ermöglicht es, die Vorstufen eines kritischen Zellverhaltens frühzeitig und störsicher zu detektieren. Da nur eine sehr geringe Energiequelle notwendig ist, funktioniert die Einrichtung dauerhaft auch bei abgeschalteten, beispielsweise geparkten Fahrzeugen. Bisher wird häufig auf die Detektion erhöhter Temperaturen und von Leistungsparametern zurückgegriffen. Diese unterliegen jedoch größeren Schwankungen, sind in der Regel nur punktuell erfassbar und werden nur im Lade- sowie Fahrmodus bestimmt. Bei stationären Speicheranlagen setzen derzeitige Sicherheitskonzepte zudem in der Regel deutlich später an, d.h. erst bei der Detektion von freigesetzten brennbaren und toxischen Gasen.
Die hierin beschriebene Erfindung ermöglicht es, bereits erste Anzeichen solcher kritischen Zustände frühzeitig zu erkennen und damit potenzielle Gefahrensituationen sicher zu vermeiden. Dies wird ermöglicht, indem am Modul die Kraft bzw. der Weg gemessen wird, was weniger Störgrößen unterworfen und kontinuierlich bei sehr geringer Energiezufuhr messbar ist. Hierfür können beispielsweise Dehnungsmessstreifen verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen: Fig. 1 : einen elektrischen Energiespeicher gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 2: einen elektrischen Energiespeicher gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 3: einen elektrischen Energiespeicher gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel, und
Fig. 4: einen Zeitstrahl.
Fig. 1 zeigt rein schematisch einen elektrischen Energiespeicher 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der elektrische Energiespeicher 10 weist mehrere Energiespeicherzellen 20 auf, welche vorliegend als Lithium-Ionen-Batterien in Form von Pouch-Zellen ausgebildet sind. Sie bilden zusammen einen Stapel 25, wobei die Energiespeicherzellen 20 entlang der Hochrichtung von Fig. 1 vorliegend unmittelbar aneinander angrenzen. Alternativ können die Energiespeicherzellen 20 auch mittelbar aneinander angrenzen, wobei beispielsweise eine jeweilige Folie zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen 20 vorgesehen sein kann. Entlang dieser Richtung erstreckt sich der Stapel 25. Die Energiespeicherzellen 20 sind durch elektrische Verbinder 22 elektrisch miteinander verbunden.
Obenseitig ist ein erstes Abschlusselement in Form einer ersten Abschlussplatte 30 angebracht. Untenseitig ist ein zweites Abschlusselement in Form einer zweiten Abschlussplatte 35 angebracht. Die erste Abschlussplatte 30 definiert ein erstes Längsende 26 des Stapels 25. Die zweite Abschlussplatte 35 definiert ein zweites Längsende 27 des Stapels 25. Alle Energiespeicherzellen 20 sind somit zwischen den Abschlussplatten 30, 35 angeordnet.
Zwischen den beiden Abschlussplatten 30, 35 verlaufen ein erstes Verbindungselement 41 , ein zweites Verbindungselement 42, ein drittes Verbindungselement 43 und ein viertes Verbindungselement 44. Diese sind jeweils an der ersten Abschlussplatte 30 und an der zweiten Abschlussplatte 35 befestigt. Somit definieren sie die Position der Abschlussplatten 30, 35 relativ zueinander. Zudem verspannen sie die Abschlussplatten 30, 35 gegeneinander, wie weiter unten näher beschrieben werden wird.
In dem ersten Verbindungselement 41 ist eine Dehnungsmesseinheit in Form einer Messdose 50 vorgesehen. Darin befindet sich ein Dehnungsmessstreifen 55. Die Messdose 50 ist über das erste Verbindungselement 41 mit den Abschlussplatten 30, 35 verbunden, so dass grundsätzlich eine Änderung des Abstands zwischen den Abschlussplatten 30, 35 mittels der Messdose 50 messbar ist.
Zwischen der Messdose 50 und der ersten Abschlussplatte 30 weist das erste Verbindungselement 41 einen ersten elastischen Abschnitt 61 auf. Zwischen der Messdose 50 und der zweiten Abschlussplatte 35 weist das erste Verbindungselement 41 einen zweiten elastischen Abschnitt 62 auf. Außerhalb der elastischen Abschnitte 61 , 62 ist das erste Verbindungselement 41 starr ausgebildet.
Das zweite Verbindungselement 42, das dritte Verbindungselement 43 und das vierte Verbindungselement 44 weisen jeweilige elastische Abschnitte 63 auf. Außerhalb dieser elastischen Abschnitte 63 sind sie starr ausgebildet. Der elastische Abschnitt des vierten Verbindungselements 44 ist dabei in Fig. 1 nicht sichtbar.
Die elastischen Abschnitte 61 , 62, 63 dienen dazu, eine definierte Spannkraft der Abschlussplatten 30, 35 gegeneinander aufzubringen. Dadurch werden die Energiespeicherzellen 20 gegeneinander verspannt, was deren Position fixiert und zu einer minimalen Ausdehnung führt. Dehnen sich die Energiespeicherzellen 20 aus, beispielsweise aufgrund einer Wärmeausdehnung, kann dies aufgrund der Elastizität leicht kompensiert werden.
Da der erste elastische Abschnitt 61 und der zweite elastische Abschnitt 62 in Reihe mit der Messdose 50 geschaltet sind überträgt sich eine etwaige Abstandsänderung zwischen den Abschlussplatten 30, 35 auch auf die Messdose 50. Sie kann somit auch von dem Dehnungsmessstreifen 55 detektiert werden. Erfolgt also beispielsweise eine unerwünscht hohe Gasentwicklung innerhalb einer der Energiespeicherzellen 20, beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion, dehnt sich die Energiespeicherzelle 20 aus und der Abstand zwischen den Abschlussplatten 30, 35 erhöht sich signifikant. Dies kann mittels des Dehnungsmessstreifens 55 erkannt werden.
Der elektrische Energiespeicher 10 weist ferner eine Auswertungseinheit 12 auf, welche mit der Messdose 50 verbunden ist, so dass eine Widerstandsmessung über den Dehnungsmessstreifen 55 ausgeführt werden kann.
Durch die beschriebene Anordnung kann mittels des Dehnungsmessstreifens 55 eine Verformung von mindestens einer der Energiespeicherzellen 20 erkannt werden. Findet in einer solchen Energiespeicherzelle 20 beispielsweise eine Gasentwicklung statt, so dehnt sich die Energiespeicherzelle 20 entlang der Hochrichtung von Fig. 1 aus und führt somit dazu, dass die Abschlussplatten 30, 35 auseinandergedrückt werden. Dies ist aufgrund der bereits beschriebenen Elastizität möglich. Dies wiederum führt zur Ausdehnung des Dehnungsmessstreifens 55 und somit zu einer Widerstandsänderung, welche von der Auswertungseinheit 12 detektiert wird.
In einer beispielhaften Ausführung ist implementiert, dass eine absolute Veränderung der Spannung an der Messdose 50, welche innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, zur Erkennung eines Fehlerzustands führt, woraufhin beispielsweise eine Ladung des elektrischen Energiespeichers 10 unterbrochen werden kann. Außerdem können weitere Vorsichtsmaßnahmen wie beispielsweise eine Anzeige auf einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs ausgelöst werden.
Fig. 2 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei wird nachfolgend im Wesentlichen lediglich auf die Änderungen zur Ausführung von Fig. 1 eingegangen.
Die Auswertungseinheit 12 ist zur Vereinfachung in Fig. 2 nicht dargestellt.
Im Gegensatz zur Ausführung von Fig. 1 weist der elektrische Energiespeicher 10 gemäß Fig. 2 an jedem der Verbindungselemente 41 , 42, 43, 44 eine jeweilige Messdose 50 mit Dehnungsmessstreifen 55 auf. Auch die darüber und darunter befindlichen elastischen Abschnitte 61 , 62 sind entsprechend wie beim ersten Verbindungselement 41 ausgeführt. Bei dem vierten Verbindungselement 44 ist dies in Fig. 2 nicht sichtbar.
Somit hat der Energiespeicher 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel insgesamt vier Dehnungsmesseelemente, welche nicht nur eine einzige Änderung eines Abstands anzeigen, sondern auch eine Veränderung der Orientierung der beiden Abschlussplatten 30, 35 zueinander anzeigen. Wird beispielsweise die zweite Abschlussplatte 35 als Referenz genommen, so kann die erste Abschlussplatte 30 im Vergleich zur zweiten Abschlussplatte 35 verkippt werden, so dass beide Abschlussplatten 30, 35 nicht mehr parallel zueinander sind. Dies ist aufgrund der bereits beschriebenen Elastizität möglich. Eine solche Verkippung kann mittels der Messdosen 50 erkannt werden, wodurch weitere Rückschlüsse auf ein eventuelles Fehlverhalten von einer der Energiespeicherzellen 20 möglich sind.
Fig. 3 zeigt schematisch einen elektrischen Energiespeicher 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dabei sind ebenfalls elektrische Energiespeicherzellen 20 zwischen einer ersten Abschlussplatte 30 und einer zweiten Abschlussplatte 35 angeordnet. Die Abschlussplatten 30, 35 werden von Verbindungselementen 41 , 42 gegeneinander verspannt. Die Dehnungsmesseinheit in Form einer Messdose 50 ist jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel nicht in einem der Verbindungselemente 41 , 42 angeordnet, sondern zwischen den Energiespeicherzellen 20 und der zweiten Abschlussplatte 35. Dehnt sich beispielsweise eine der Energiespeicherzellen 20 aufgrund einer Fehlfunktion zu stark aus, so erhöht dies an der Messdose 50 den Druck, was in ähnlicher Form wie mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben gemessen werden kann. Auch dadurch kann also ein solches Fehlverhalten erkannt werden.
Fig. 4 zeigt Messzeitpunkte entlang eines Zeitstrahls, welcher die Zeit t angibt. Zunächst ist dabei ein erster Zeitraum ti dargestellt, in welchem ein elektrischer Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs nicht betrieben wird, d.h. er wird weder geladen noch wird Strom zum Antrieb einer Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs aus ihm entnommen. Dementsprechend werden die Messzeitpunkte mit einer ersten Messrate festgesetzt, welche klein ist und somit große Abstände zwischen den Messzeitpunkten vorsieht. Anschließend folgt ein zweiter Zeitraum t2, in welchem der Energiespeicher vorliegend geladen wird. Dort wird somit eine zweite Messrate zur Festsetzung der Messzeitpunkte verwendet, welche deutlich höher ist und somit zu wesentlich kürzeren Abständen zwischen den Messzeitpunkten führt. Die Überwachung ist hier erheblich intensiver, um eine eventuelle Fehlfunktion schneller zu erkennen. Wiederum danach folgt ein dritter Zeitraum ts, in welchem der Energiespeicher wieder nicht betrieben wird. Somit wird wieder die erste Messrate mit ihren großen Abständen verwendet. Während also während des zweiten Zeitraums t2 intensiv überwacht wird, ist die Überwachung während des ersten Zeitraums ti und des dritten Zeitraums ts deutlich verringert, wodurch Energie eingespart wird. Dadurch wird es ermöglicht, den Energiespeicher auch im Stand zu überwachen, ohne eine zu schnelle Entladung des Energiespeichers aufgrund eines Stromverbrauchs der Überwachung oder eine zu starke Belastung einer anderen Energieversorgung zu riskieren.
Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, soweit dies technisch sinnvoll ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen
Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus. Bezugszeichenliste:
10 Elektrischer Energiespeicher
12 Auswertungseinheit
20 Energiespeicherzellen
25 Stapel
26 erstes Längsende
27 zweites Längsende
30 erste Abschlussplatte / erstes Abschlusselement
35 zweite Abschlussplatte / zweites Abschlusselement
41 , 42, 43, 44 Verbindungselemente
50 Messdose / Dehnungsmesseinheit
55 Dehnungsmessstreifen
61 , 62, 63 elastische Abschnitte t Zeit ti, t2, t3 Zeiträume

Claims

24
Patentansprüche: Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (10), welcher eine Energiespeicherzelle (20) oder mehrere Energiespeicherzellen (20) aufweist, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind, und welcher mindestens eine Dehnungsmesseinheit (50) aufweist, welche zur Bestimmung einer Veränderung eines Abstands ausgebildet ist, wobei der Abstand anzeigend ist für eine Gesamtlänge der Energiespeicherzellen (20) entlang der Richtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Festlegen mindestens einer ersten Messrate und einer zweiten Messrate, wobei die erste Messrate kleiner ist als die zweite Messrate, außerhalb eines Betriebs des Energiespeichers (10): Auslesen der Dehnungsmesseinheit (50) mit der ersten Messrate, und zumindest teilweise während eines Betriebs des Energiespeichers (10): Auslesen der Dehnungsmesseinheit (50) mit der zweiten Messrate. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die erste Messrate höchstens 0,05 s_1 oder höchstens 0,01 s_1 beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messrate höchstens 0,005 s_1 oder höchstens 0,003 s_1 beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messrate mindestens 0,001 s-1 oder mindestens 0,003 s-1 beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ausschließlich ein Laden und eine Stromentnahme einen Betrieb des Energiespeichers (10) darstellen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Festlegen auch eine dritte Messrate festgelegt wird, welche größer ist als die erste Messrate und unterschiedlich ist zur zweiten Messrate. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Auslesens während eines Betriebs folgendermaßen ausgeführt wird: während eines Ladens des Energiespeichers (10): Auslesen der Dehnungsmesseinheit (50) mit der zweiten Messrate, und während einer Stromentnahme aus dem Energiespeicher (10): Auslesen der Dehnungsmesseinheit (50) mit der dritten Messrate. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Auslesens während eines Betriebs folgendermaßen ausgeführt wird: während eines Ladens des Energiespeichers (10) und während einer Stromentnahme aus dem Energiespeicher (10): Auslesen der Dehnungsmesseinheit (50) mit der zweiten Messrate. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Messrate und/oder die dritte Messrate mindestens 0,1 s_1 oder mindestens 0,5 s_1 beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Messrate und/oder die dritte Messrate höchstens 0,5 s-1, höchstens 1 s_1 oder höchstens 5 s_1 beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei außerhalb eines Betriebs der Energiespeicher (10) nicht geladen wird und kein Strom, oder höchstens ein unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegender Strom, aus ihm entnommen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Auslesen für einen vorbestimmten Messzeitraum ausgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auslesen bei einer jeweiligen Messrate in konstanten Zeitabständen erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (10) folgendes aufweist: ein erstes Abschlusselement (30) und ein zweites Abschlusselement (35), wobei das erste Abschlusselement (30) an eine erste endseitige Energiespeicherzelle (20) angrenzt und das zweite Abschlusselement (35) an eine zweite endseitige Energiespeicherzelle (20) angrenzt, so dass sich die Energiespeicherzellen (20) zwischen den Abschlusselementen (30, 35) erstrecken, und ein Verbindungselement (41 , 42, 43, 44) oder mehrere Verbindungselemente (41 , 42, 43, 44), wobei jedes Verbindungselement (41 , 42, 43, 44) das erste Abschlusselement (30) und das zweite Abschlusselement (35) mechanisch miteinander verbindet, wobei mindestens eine Dehnungsmesseinheit (50) in einem der Verbindungselemente (41 , 42, 43, 44) angeordnet ist, und der Abstand zwischen den Abschlusselementen (30, 35) entlang des jeweiligen Verbindungselements (41 , 42, 43, 44) definiert ist. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Energiespeicher (10) zwei, drei oder vier Dehnungsmesseinheiten (50) aufweist, welche in jeweils einem Verbindungselement (41 , 42, 43, 44) angeordnet sind, und wobei jede Dehnungsmesseinheit (50) separat ausgelesen wird. Verfahren nach Anspruch 15, wobei alle Dehnungsmesseinheiten (50) gleichzeitig oder in unveränderlichen Zeitrelationen zueinander ausgelesen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Erkennen eines Zustands anhand der Veränderung. 27 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn die Veränderung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums absolut mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Schwellenwert. Verfahren nach Anspruch 18, wobei ansprechend auf ein Erkennen eines Fehlerzustands ein Signal zur Steuerung oder Regelung eines Betriebszustands des Energiespeichers (10) erzeugt wird, ein Ladevorgang unterbrochen wird und/oder eine Warnung ausgegeben wird. Elektrischer Energiespeicher (10), welcher eine Energiespeicherzelle (20) oder mehrere Energiespeicherzellen (20) aufweist, welche entlang zumindest einer Richtung zueinander benachbart angeordnet sind, und welcher mindestens eine Dehnungsmesseinheit (50) aufweist, welche zur Bestimmung einer Veränderung eines Abstands ausgebildet ist, wobei der Abstand anzeigend ist für eine Gesamtlänge der Energiespeicherzellen (20) entlang der Richtung, und welcher dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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