DE102013212956A1 - Cell of an energy storage device for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Zelle (1) eines Energiespeichers (20) für ein Fahrzeug (10) umfasst einen Sensor (3–7), welcher vollständig innerhalb der Zelle (1) angeordnet ist. Der Sensor (3–7) ist ausgestaltet, um eine chemische oder physikalische Größe der Zelle (1) zu erfassen.The cell (1) of an energy storage device (20) for a vehicle (10) comprises a sensor (3-7) which is arranged completely inside the cell (1). The sensor (3-7) is configured to detect a chemical or physical size of the cell (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Zelle eines Energiespeichers für ein Fahrzeug, einen Energiespeicher, welcher aus diesen Zellen aufgebaut ist, und ein System, welches eine erfindungsgemäße Zelle und/oder einen erfindungsgemäßen Energiespeicher umfasst.The present invention relates to the cell of an energy storage device for a vehicle, an energy store, which is constructed from these cells, and a system which comprises a cell according to the invention and / or an energy store according to the invention.
Die Bestimmung eines Ladezustands (SOC „State Of Charge“) einer Fahrzeugbatterie wird nach dem Stand der Technik anhand von Messungen des Stroms und der Spannung der Batterie durchgeführt. Diese Bestimmung des Ladezustands erfolgt dabei modulweise, wobei unter einem Modul eine Untereinheit der Batterie zu verstehen ist. Ein Batteriemodul besteht aus mehreren (beispielsweise 4 bis 12) Batteriezellen.The determination of a state of charge (SOC) of a vehicle battery is carried out according to the prior art on the basis of measurements of the current and the voltage of the battery. This determination of the state of charge is carried out in modules, wherein a module is a subunit of the battery to understand. A battery module consists of several (for example 4 to 12) battery cells.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Bestimmung des Zustands einer Fahrzeugbatterie zu verbessern.The present invention has as its object to improve the determination of the condition of a vehicle battery.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Zelle eines Energiespeichers nach Anspruch 1, durch ein Energiespeicher nach Anspruch 9 und durch ein System nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.According to the invention, this object is achieved by a cell of an energy store according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Zelle eines Energiespeichers für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Zelle einen Sensor, welcher vollständig innerhalb der Zelle angeordnet ist. Der Sensor ist ausgestaltet, um eine chemische oder physikalische Größe der Zelle zu erfassen, um anhand dieser Größe insbesondere einen Zustand der Zelle abzuleiten.In the context of the present invention, a cell of an energy storage device for a vehicle is provided. In this case, the cell comprises a sensor which is arranged completely inside the cell. The sensor is designed to detect a chemical or physical size of the cell in order to derive a particular state of the cell based on this variable.
Indem der Sensor vollständig innerhalb der Zelle (d.h. innerhalb des Zellengehäuses) angeordnet ist, sind vorteilhafterweise keine Gehäusedurchführungen erforderlich, um den innerhalb der Zelle angeordneten Teil des Sensors mit dem außerhalb der Zelle angeordneten Teil des Sensors zu verbinden. Darüber hinaus ist der Sensor vorteilhafterweise vor äußeren mechanischen und chemischen Einflüssen, beispielsweise beim Transport der Zelle oder bei der Montage der Zelle, geschützt. Da der Sensor innerhalb der Zelle angeordnet ist, kann die chemische oder physikalische Größe der Zelle vorteilhafterweise unmittelbar im Inneren der Zelle erfasst werden.By placing the sensor completely within the cell (i.e., within the cell housing), advantageously no housing feedthroughs are required to connect the portion of the sensor located within the cell to the portion of the sensor external to the cell. In addition, the sensor is advantageously protected against external mechanical and chemical influences, for example during transport of the cell or during assembly of the cell. Since the sensor is located inside the cell, the chemical or physical size of the cell can advantageously be detected directly inside the cell.
Unter einem Sensor wird dabei insbesondere eine Vorrichtung verstanden, welche die physikalische oder chemische Größe in Form von Messwerten erfasst und diese Messwerte als elektrische Signale weiterleitet. Da sich der Sensor innerhalb der Zelle (d.h. innerhalb des Zellgehäuses) befindet, findet demnach auch die Wandlung der Messwerte in elektrische Signale innerhalb der Zelle statt.In this case, a sensor is understood in particular to mean a device which records the physical or chemical quantity in the form of measured values and forwards these measured values as electrical signals. Accordingly, since the sensor is within the cell (i.e., within the cell housing), the conversion of the readings into electrical signals also takes place within the cell.
Der Sensor kann, bezogen auf seine Messeigenschaften, einteilig oder mehrteilig aufgebaut sein und kann nur ein Sub-Sensorsystem oder mehrere Sub-Sensorsysteme umfassen.Based on its measuring properties, the sensor can be constructed in one part or in several parts and can only comprise one sub-sensor system or several sub-sensor systems.
Unter der Zelle eines Energiespeichers wird dabei die kleinste Energiespeicher-Einheit des Energiespeichers verstanden, welche zwei Elektroden aufweist und prinzipiell austauschbar ist. Mehrere Zellen werden üblicherweise zu einem Modul zusammengefasst, wobei der Energiespeicher üblicherweise wiederum mehrere Module umfasst. Bei der Herstellung werden die Zellen hergestellt und anschließend elektrisch zu einem Modul verbunden.Under the cell of an energy storage is understood to be the smallest energy storage unit of the energy storage, which has two electrodes and is interchangeable in principle. Several cells are usually combined to form a module, wherein the energy store usually again comprises several modules. During manufacture, the cells are produced and then electrically connected to form a module.
Insbesondere ist der Sensor dabei derart ausgestaltet, dass der Sensor mindestens eine von folgenden chemischen oder physikalischen Größen erfasst:
- • Eine Gaszusammensetzung im Inneren der Zelle. Im Lauf der Alterung der Zelle, beispielsweise aufgrund einer kalendarischen Alterung oder aufgrund einer Zyklenalterung, verändert sich die Zusammensetzung des Gases im Zellgasraum (Zellheadspace) signifikant. Während bei den üblichen Herstellungsverfahren einer Batteriezelle die Gaszusammensetzung direkt nach der Herstellung im Zellgasraum der Zelle der Zusammensetzung der Umgebungsluft in einem Trockenraum (z.B. 78% N2, 21% O2, 1 % Ar) entspricht, kommt es im Zellgasraum einer gealterten Zelle je nach der Elektrolytzusammensetzung der Zelle zu einer entsprechenden Anreicherung von beispielsweise CO2, CO, C2H2, CH4, O2 und/oder florierten Kohlenwasserstoffen. Anhand der Gaszusammensetzung kann beispielsweise der Alterungszustand (SOH („State Of Health“)) der Zelle ermittelt werden.
- • Einen Gasdruck im Inneren der Zelle. Infolge der Zellalterung kommt es zu einer fortschreitenden Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt der Zelle. Reaktionsprodukte dieser Zersetzungsreaktionen sind neben volumenmäßig geringen Mengen von Feststoffen signifikante Mengen von Gasen, insbesondere von Kohlendioxyd (CO2). Diese Gase führen in einem gasdichten Zellgehäuse der Zelle zu einem entsprechenden Druckanstieg.
- • Eine Volumenänderung eines Festkörperanteils der Zelle. Im geladenen Zustand weist die Anode (z.B. Graphit) ein um ca. 10 % höheres Volumen auf als im ungeladenen Zustand der Zelle. Das Erfassen der Volumenänderung des Festkörperanteils (z. B. der Anode) dient demnach insbesondere der Ermittlung des Ladezustands (SOC) der Zelle. Mit Hilfe eines geeigneten Auswertealgorithmus kann anhand der erfassten Volumenänderung (insbesondere über das Erfassen einer dauerhaften Volumenzunahme, beispielsweise aufgrund von irreversiblen Ioneneinlagerungen in die Elektroden der Zelle) auch der Alterungszustand (SOH) der Zelle ermittelt werden,
- • Eine Kraft, welche auf einen Festkörperanteil der Zelle einwirkt. Die vorab beschriebene Volumenänderung führt auch zu der Kraft, welche auf den Festkörperanteil der Zelle einwirkt.
- • Eine chemische Zusammensetzung einer Anode der Zelle. Feste Zersetzungsprodukte scheiden sich beispielsweise auf der Oberfläche der Anode der Zelle ab und bilden dort die so genannte Anodendeckschicht („Solid-Electrolyte Interphase“ SEI). Das Wachstum der Anodendeckschicht verläuft dabei in der Regel proportional zur Alterung der Zelle, insbesondere proportional zu der Zyklenalterung.
- • Eine Verfärbung eines Elektrolyts der Zelle. Infolge der Zellalterung kommt es zu einer fortschreitenden Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt der Zelle. Dies führt wiederum zu einer Verfärbung des Batterieelektrolyts, welche sich meist in einer auffälligen Gelb- oder Braun-Färbung, in jedem Fall in einer Dunkelfärbung, darstellt.
- • Eine elektrische Spannung zwischen Anode und Katode der Zelle. Anhand des Spannungsverlaufs über der Zeit kann der Zustand der Zelle bestimmt werden.
- • Ein elektrischer Strom innerhalb der Zelle. Meist wird der Strom durch die Elektroden der Zelle gemessen. Anhand des Stromverlaufs über der Zeit kann der Zustand der Zelle bestimmt werden.
- • Eine Temperatur innerhalb der Zelle. Anhand des Temperaturverlaufs über der Zeit kann der Zustand der Zelle bestimmt werden.
- • A gas composition inside the cell. As the cell ages, for example due to calendar aging or due to aging of the cycle, the composition of the gas in the cell gas space (cell headspace) changes significantly. While in the usual manufacturing process of a battery cell, the gas composition directly after production in the cell gas space of the cell corresponds to the composition of the ambient air in a dry room (eg 78% N 2 , 21% O 2 , 1% Ar), it comes in the cell gas space of an aged cell ever according to the electrolyte composition of the cell to a corresponding enrichment of, for example, CO 2 , CO, C 2 H 2 , CH 4 , O 2 and / or thriving hydrocarbons. On the basis of the gas composition, for example, the state of health (SOH (State of Health)) of the cell can be determined.
- • A gas pressure inside the cell. As a result of cell aging, there is a progressive decomposition of liquid battery electrolyte of the cell. Reaction products of these decomposition reactions are in addition to small amounts of solids in volume significant amounts of gases, in particular of carbon dioxide (CO 2 ). These gases result in a gas-tight cell housing of the cell to a corresponding increase in pressure.
- • A volume change of a solid fraction of the cell. When charged, the anode (eg graphite) has an approximately 10% higher volume than in the uncharged state of the cell. The detection of the change in volume of the solids content (eg of the anode) thus serves, in particular, to determine the state of charge (SOC) of the cell. With With the aid of a suitable evaluation algorithm, it is also possible to determine the aging state (SOH) of the cell on the basis of the detected volume change (in particular by detecting a permanent increase in volume, for example due to irreversible ion deposits in the electrodes of the cell),
- • A force acting on a solid portion of the cell. The above-described volume change also leads to the force which acts on the solids content of the cell.
- • A chemical composition of an anode of the cell. Solid decomposition products separate, for example, on the surface of the anode of the cell and form there the so-called anode-electrolyte layer ("solid-electrolyte interphase" SEI). The growth of the anode cover layer is usually proportional to the aging of the cell, in particular proportional to the cycle aging.
- • Discoloration of an electrolyte of the cell. As a result of cell aging, there is a progressive decomposition of liquid battery electrolyte of the cell. This in turn leads to a discoloration of the battery electrolyte, which is usually in a striking yellow or brown color, in any case in a dark color.
- • An electrical voltage between the anode and cathode of the cell. Based on the voltage curve over time, the state of the cell can be determined.
- • An electrical current inside the cell. Mostly the current through the electrodes of the cell is measured. Based on the current over time, the state of the cell can be determined.
- • A temperature within the cell. Based on the temperature profile over time, the state of the cell can be determined.
Um den Sensor mit Energie zu versorgen, wird der Sensor insbesondere mit der Anode und Katode der Zelle verbunden.In order to power the sensor, the sensor is connected in particular to the anode and cathode of the cell.
Dazu kann der Sensor auf der Zellinnenseite mit den Zellelektroden (Zellpolen, Ableitern) kontaktiert werden, um sich über diese Zellelektroden mit Energie zu versorgen. Damit wird der Sensor vorteilhafterweise quasi mit der Energie der Zelle versorgt, so dass auch zur Energieversorgung keine zusätzliche Durchführung des Zellgehäuses notwendig ist.For this purpose, the sensor on the inside of the cell can be contacted with the cell electrodes (cell poles, arresters) in order to supply energy via these cell electrodes. Thus, the sensor is advantageously supplied quasi with the energy of the cell, so that no additional implementation of the cell housing is necessary for energy supply.
Darüber hinaus ist der Sensor insbesondere zur Datenübertragung mit den Zellelektroden (der Anode und Kathode) der Zelle verbunden, um Messwerte der erfassten chemischen oder physikalischen Größe über die Zellelektroden zu übertragen.In addition, the sensor is connected, in particular for data transmission, with the cell electrodes (the anode and cathode) of the cell in order to transmit measured values of the detected chemical or physical quantity via the cell electrodes.
Wenn die Datenübertragung über die Zellelektroden erfolgt, ist vorteilhafterweise keine Funktechnik oder Ähnliches notwendig. Für die Datenübertragung zu einer Auswerteeinheit werden neben den Elektroden Zell- und Modulverbinder eingesetzt. Die Datenübertragung kann dabei auf eigenen Frequenzbändern erfolgen, so dass die Datenübertragung und Hochstrom (eigentlicher Laststrom der Zelle zum Verbraucher) gleichzeitig auf denselben Leitern (Kabeln oder Stromschienen) erfolgen kann. Auch wenn mehrere Batteriezellen demselben Steuergerät zugeordnet sind, kann jeder Zelle individuell eine eigene Sendefrequenz (oder ein eigenes Frequenzband) zugeordnet werden, so dass die chemische oder physikalische Größe der jeweiligen Zelle im Bedarfsfall individuell ausgewertet bzw. zugeordnet werden kann.If the data transmission takes place via the cell electrodes, advantageously no radio technology or the like is necessary. For data transmission to an evaluation unit cell and module connectors are used in addition to the electrodes. The data transmission can take place on separate frequency bands, so that the data transmission and high current (actual load current of the cell to the consumer) can take place simultaneously on the same conductors (cables or busbars). Even if several battery cells are assigned to the same control unit, each cell can be individually assigned its own transmission frequency (or its own frequency band), so that the chemical or physical size of the respective cell can be individually evaluated or assigned, if necessary.
Der Sensor kann einen Dehnungsmessstreifen umfassen. Wenn es sich bei der Zelle um eine zu einem Elektrodenwickel (Jelly Roll) gewickelte zylindrische Zelle mit Gehäuse handelt, kann der Dehnungsmessstreifen kreisförmig zwischen dem Gehäuse und dem Elektrodenwickel angeordnet sein.The sensor may include a strain gauge. When the cell is a cylindrical cell with housing wound into a jelly roll, the strain gauge may be disposed in a circle between the housing and the electrode coil.
Mit anderen Worten ist der Dehnungsmessstreifen tangential innerhalb des Gehäuses um den Elektrodenwickel herum angebracht (beispielsweise geklebt oder gewickelt). Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den Dehnungsmessstreifen möglich.In other words, the strain gauge is tangentially mounted within the housing around the electrode coil (eg, glued or wound). Due to the technology, other positions for the strain gauges are also possible.
In ähnlicher Weise kann der Sensor einen Kraftsensor (z.B. Piezosensor) umfassen. Dieser Kraftsensor kann zwischen dem Elektrodenwickel und dem Gehäuse angeordnet sein. Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den Kraftsensor möglich.Similarly, the sensor may include a force sensor (e.g., piezo sensor). This force sensor can be arranged between the electrode winding and the housing. Due to the technology, other positions for the force sensor are also possible.
Darüber hinaus kann der Sensor einen Gaszusammensetzungssensor und/oder einen Drucksensor umfassen. Wenn sich die Elektroden der Zelle entlang der Mittelachse von der Grundfläche bzw. der Deckfläche des Gehäuses erstrecken, ist es möglich, dass der Gaszusammensetzungssensor und/oder einen Drucksensor mit einem gewissen Abstand von der Mittelachse der zylindrischen Zelle innen an der Grundfläche oder der Deckfläche angeordnet ist. Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den Gaszusammensetzungssensor und/oder Drucksensor möglich.In addition, the sensor may include a gas composition sensor and / or a pressure sensor. When the electrodes of the cell extend along the central axis from the base surface of the housing, it is possible for the gas composition sensor and / or a pressure sensor to be disposed at a certain distance from the central axis of the cylindrical cell inside the base surface or the top surface is. Due to the technology, other positions for the gas composition sensor and / or pressure sensor are also possible.
Der Sensor kann auch einen optischen Reflexionssensor umfassen. Wenn sich die Elektroden der Zelle entlang der Mittelachse von der Grundfläche bzw. der Deckfläche des Gehäuses erstrecken, ist es möglich, dass der optische Reflexionssensor mit einem gewissen Abstand von der Mittelachse der zylindrischen Zelle innen in der Nähe der Grundfläche oder der Deckfläche angeordnet ist. Dabei entspricht in der Nähe der Grundfläche bzw. Deckfläche einem Abstand von maximal 10% der Länge der Zelle von der Grundfläche bis zur Deckfläche. Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den optischen Reflexionssensor möglich.The sensor may also include an optical reflection sensor. When the electrodes of the cell extend along the central axis from the top surface of the housing, it is possible for the optical reflection sensor to be located at a certain distance from the central axis of the cylindrical cell, in the vicinity of the base surface or the top surface. there corresponds to a distance of not more than 10% of the length of the cell from the base to the top surface in the vicinity of the base surface or top surface. Due to the technology, other positions for the optical reflection sensor are also possible.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Zelle ein zylindrisches Hartgehäuse oder ein prismatisches Hartgehäuse aufweisen kann. Es kann sich bei der Zelle auch um eine prismatische Folienzelle (eine so genannte Pouchzelle) handeln. Natürlich können auch andere Bauformen eingesetzt werden. Die Position des jeweiligen Sensors und auch der jeweilige Sensor selbst werden entsprechend an die Gehäuseform der Zelle und die Bauart der Zelle angepasst.It should be noted that the cell may have a cylindrical hard casing or a prismatic hard casing. The cell may also be a prismatic foil cell (a so-called pouch cell). Of course, other designs can be used. The position of the respective sensor and also the respective sensor itself are adapted according to the housing shape of the cell and the design of the cell.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Energiespeicher bereitgestellt, welcher mehrere erfindungsgemäße Zellen umfasst. Dabei ist der Sensor jeder dieser Zellen ausgestaltet, um Messwerte der innerhalb der jeweiligen Zelle erfassten chemischen oder physikalischen Größe mit Hilfe einer individuellen Frequenz zu übertragen, so dass beispielsweise von einem Steuergerät anhand der Frequenz die Messwerte der jeweiligen Zelle zugeordnet werden können.In the context of the present invention, an energy store is provided which comprises a plurality of cells according to the invention. In this case, the sensor of each of these cells is designed to transmit measured values of the chemical or physical quantity detected within the respective cell with the aid of an individual frequency, so that, for example, the measured values of the respective cell can be assigned by a control unit on the basis of the frequency.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein System bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Zelle und/oder einen erfindungsgemäßen Energiespeicher umfasst. Dabei umfasst das System darüber hinaus eine Auswerteeinrichtung, um abhängig von der chemischen oder physikalischen Größe der Zelle einen Zustand (insbesondere einen Ladungszustand der Zelle und/oder einen Alterungszustand der Zelle) abzuleiten.In the context of the present invention, a system is also provided which comprises a cell according to the invention and / or an energy store according to the invention. In addition, the system comprises an evaluation device in order to derive a state (in particular a state of charge of the cell and / or an aging state of the cell) depending on the chemical or physical size of the cell.
Mit anderen Worten kann vorteilhafterweise der individuelle Zustand jeder Zelle anhand der erfassten Messwerte der chemischen oder physikalischen Größe von der Auswerteeinrichtung bestimmt werden.In other words, the individual state of each cell can advantageously be determined by the evaluation device on the basis of the acquired measured values of the chemical or physical quantity.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Zelle, einen erfindungsgemäßen Energiespeicher und/oder ein erfindungsgemäßes System umfasst.Finally, in the context of the present invention, a vehicle is provided which comprises a cell according to the invention, an energy store according to the invention and / or a system according to the invention.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen gedacht. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Schiffen, Flugzeugen gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar ist. Darüber hinaus lässt sich die vorliegende Erfindung auch bei stationären Energiespeichern einsetzen.The present invention is particularly intended for use in motor vehicles. Of course, the present invention is not limited to this preferred application, since the present invention is also applicable to ships, aircraft track-bound or track-guided vehicles. In addition, the present invention can also be used in stationary energy storage.
Im Folgenden ist die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.In the following, the present invention with reference to preferred embodiments of the invention with reference to the figures is described in detail.
In
In
In
In
In
In
Die Katode
Da die Anode im geladenen Zustand ein höheres Volumen als im ungeladenen Zustand aufweist, führt dies zu einer Zunahme eines Durchmessers einer in
Zusätzlich oder anstelle des Dehnungsmessstreifens
In
Im Lauf der Zellalterung verändert sich die Zusammensetzung der Gase im Zellgasraum der Zelle
- • Ein planar integriertes Mikromassenspektrometer (PIMMS) mit einer Grundfläche von beispielsweise 1 cm2. Die Erfinder haben erkannt, dass eine fortschreitende Zellalterung infolge fortschreitender Elektrolytzersetzung zu einer Veränderung des Zellgasraumes führt. Alle vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle genannten Verbindungen, die zumindest teilweise gasförmig vorliegen, können mittels eines zellintern angebrachten PIMMS in-situ nachgewiesen und/oder bestimmt werden. Die so ermittelte Gaskonzentration von ein oder mehreren Spezies, welche vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle beschrieben sind, ist ein Maß für die Zellalterung.
- • Eine ausreichend miniaturisierte Gaschromatographie mit einem massenselektiven Detektor (MSD), einem Thermal Conductivity Detektor (TCD), einem Flammenionisationsdetektor (FID), und/oder einem Elektroneneinfangdetektor (ECD). Die Erfinder haben erkannt, dass eine fortschreitende Zellalterung infolge fortschreitender Elektrolytzersetzung zu einer Veränderung des Zellgasraumes führt. Alle vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle genannten Verbindungen, die zumindest teilweise gasförmig vorliegen, können mittels eines zellintern angebrachten GC/MS (Gas-Chromatographen/ Massenspektrometer), GC/TCD, GC/FID und/oder GC/ECD in-situ nachgewiesen und/oder bestimmt werden. Die so ermittelte Gaskonzentration von ein oder mehreren Spezies, welche vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle beschrieben sind, ist ein Maß für die Zellalterung.
- • Eine Infrarotabsorptions- oder Ramanspektroskopie. Die Erfinder haben erkannt, dass eine fortschreitende Zellalterung infolge fortschreitender Elektrolytzersetzung zu einer Veränderung des Zellgasraumes, besonders aber z.B. zu einer Zunahme des Kohlendioxidpartialdruckes, führt. Darüber hinaus wurde erkannt, dass Kohlendioxid starke Infrarotabsorptionsbanden zeigt und z.B. mittels eines zellintern angebrachten Infrarotabsorptionsspektrometers nachgewiesen und/oder bestimmt werden kann. Der so ermittelte Kohlendioxidpartialdruck ist ein Maß für die Zellalterung.
- • Eine Nernstsonde. Die Erfinder haben erkannt, dass einige Alterungsreaktionen in einer Lithium-Ionen-Batterie zur Entstehung von Sauerstoff führen. Erfindungsgemäß können Nernstsonden u.a. zum Nachweis oder der Bestimmung von Sauerstoff eingesetzt werden. Der so ermittelte Sauerstoffpartialdruck ist ein Maß für die Zellalterung.
- • Eine Widerstandssonde. Die Erfinder haben erkannt, dass einige Alterungsreaktionen in einer Lithium-Ionen-Batterie zur Entstehung von Sauerstoff führen. Widerstandssonden können u.a. zum Nachweis oder der Bestimmung von Sauerstoff eingesetzt werden. Der so ermittelte Sauerstoffpartialdruck ist ein Maß für die Zellalterung.
- • Ein Ionisationsdetektor. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Anreicherung von gasförmigen Spezies, welche vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle beschrieben sind, je nach Alterungsmechanismus zu einer Zu- oder Abnahme der Leitfähigkeit des Gasraumes der Zelle führt. Ionisationsdetektoren können zur Bestimmung der Leitfähigkeit von Gasen eingesetzt werden. Die so ermittelte Änderung der Gasleitfähigkeit ist ein Maß für die Zellalterung.
- • A planar integrated micro mass spectrometer (PIMMS) with a footprint of, for example, 1 cm 2 . The inventors have recognized that progressive cell aging as a result of progressive electrolyte decomposition leads to a change in the cell gas space. All compounds mentioned in advance for the brand-new or aged cell, which are at least partially gaseous, can be detected and / or determined in situ by means of an in-cell PIMMS. The thus determined gas concentration of one or more species previously described for the brand new or aged cell is a measure of cell aging.
- • A sufficiently miniaturized gas chromatography with a mass-selective detector (MSD), a thermal conductivity detector (TCD), a flame ionization detector (FID), and / or an electron capture detector (ECD). The inventors have recognized that progressive cell aging as a result of progressive electrolyte decomposition leads to a change in the cell gas space. All of the compounds previously known for the brand new or aged cell, which are at least partially gaseous, can be detected in situ by GC / MS (Gas Chromatograph / Mass Spectrometer), GC / TCD, GC / FID and / or GC / ECD mounted in-cell and / or determined. The thus determined gas concentration of one or more species previously described for the brand new or aged cell is a measure of cell aging.
- • Infrared absorption or Raman spectroscopy. The inventors have recognized that progressive cell aging as a result of progressive electrolyte decomposition leads to a change in the cell gas space, but especially, for example, to an increase in the partial pressure of carbon dioxide. In addition, it has been recognized that carbon dioxide shows strong infrared absorption bands and can be detected and / or determined, for example, by means of an intra-cell mounted infrared absorption spectrometer. The determined carbon dioxide partial pressure is a measure of cell aging.
- • A Nernst probe. The inventors have recognized that some aging reactions in a lithium-ion battery lead to the formation of oxygen. According to the invention Nernstsonden can be used, inter alia, for the detection or determination of oxygen. The oxygen partial pressure thus determined is a measure of cell aging.
- • A resistance probe. The inventors have recognized that some aging reactions in a lithium-ion battery lead to the formation of oxygen. Resistance probes can be used, inter alia, for the detection or determination of oxygen. The oxygen partial pressure thus determined is a measure of cell aging.
- • An ionization detector. The inventors have recognized that an enrichment of gaseous species, which are described in advance for the brand new or aged cell, depending on the aging mechanism leads to an increase or decrease in the conductivity of the gas space of the cell. Ionization detectors can be used to determine the conductivity of gases. The resulting change in gas conductivity is a measure of cell aging.
In
Infolge der Zellalterung kommt es zu einer fortschreitenden Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt. Reaktionsprodukte dieser Zersetzungsreaktionen sind neben volumenmäßig geringen Mengen von Feststoffen signifikante Mengen von Gasen, insbesondere von Kohlendioxyd (CO2). Diese Gase führen in einem gasdichten Zellgehäuse
Zur Bestimmung des absoluten (vom Außendruck unabhängigen) Zellinnendruckes können als Gas-Absolutdrucksensoren beispielsweise eingesetzt werden:
- • Ein keramischer Drucksensor (beispielsweise in Dickschicht-Technologie).
- • Ein kapazitiver Drucksensor.
- • A ceramic pressure sensor (for example in thick-film technology).
- • A capacitive pressure sensor.
Diese Drucksensoren können in Mikrosystemtechnik als monolithisches System (Kombination einer Mechanik (Sensor) und einer Elektronik (Intelligenz)) ausgeführt sein.These pressure sensors can be implemented in microsystem technology as a monolithic system (combination of a mechanism (sensor) and an electronics (intelligence)).
In
Bei der fortschreitenden Zersetzung des flüssigen Batterieelektrolyts treten neben gasförmigen Zersetzungsprodukten auch feste Zersetzungsprodukte auf, welche sich vorzugsweise auf der Oberfläche der Anode absetzen und dort die so genannte Anodendeckschicht (Solid-Electrolyte Interphase) ausbilden. Das Wachstum der Anodendeckschicht (d.h. die Dicke der Anodendeckschicht) ist dabei erfahrungsgemäß proportional zur Alterung der Zelle, insbesondere proportional zur Zyklenalterung der Zelle.In the progressive decomposition of the liquid battery electrolyte occur in addition to gaseous decomposition products and solid decomposition products, which preferably settle on the surface of the anode and there form the so-called anode cover layer (solid-electrolyte interphase). The growth of the anode capping layer (i.e., the thickness of the anode capping layer) has been shown to be proportional to the aging of the cell, particularly proportional to the cycle aging of the cell.
Die festen Zersetzungsprodukte auf der Anode bestehen beispielsweise aus Komponenten wie Lithiumfluorid (LiF), Lithiumcarbonat (Li2CO3), Lithiumalkylcarbonat und/oder Lithiumoxid (Li2O). Zum Nachweis und zur Bestimmung der vorab genannten Spezies können ex situ folgende Verfahren mittels eines Sensors oder folgende Sensoren innerhalb der Zelle
- • Eine Ionenaustauschchromatographie.
- • Einer Atomabsorptionsspektrophotometrie (Flamen-AAS, Graphitrohr-AAS).
- • Inductively coupled plasma (ICP-OES, ICP-MS).
- • Eine ionenselektive Elektrode (z.B. eine F-selektive Elektrode).
- • An ion exchange chromatography.
- • Atomic absorption spectrophotometry (Flamen-AAS, Graphite Tube AAS).
- Inductively coupled plasma (ICP-OES, ICP-MS).
- • An ion-selective electrode (eg an F-selective electrode).
Darüber hinaus führt die fortschreitende Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt zu einer Verfärbung des Batterieelektrolyts. Dabei verfärbt der dunkel gefärbte Elektrolyt auch laterale und zum Zellgasraum hin freiliegende Trennmittellagen, welche beispielsweise im fabrikneuen Zustand nahezu weiß (farblos) und mit steigendem Alter (SOH) dunkel erscheinen. Diese Veränderung des optischen Reflexionsspektrums kann mit einem Sensor innerhalb der Zelle während des Betriebs opto-elektronisch erfasst werden und als ein Maß für den Alterungszustand (SOH) der Zelle eingesetzt werden.In addition, the progressive decomposition of liquid battery electrolyte leads to discoloration of the battery electrolyte. In this case, the dark colored electrolyte discolored also lateral and the cell gas space towards exposed release agent layers, which, for example, in the factory new condition almost white (colorless) and dark with age (SOH) appear. This change in the optical reflection spectrum can be opto-electronically detected with a sensor within the cell during operation and used as a measure of the state of health (SOH) of the cell.
Zum Nachweis der optischen Erscheinung können folgende Verfahren mittels eines Sensors oder folgende Sensoren innerhalb der Zelle
- • Eine optische Mikrosystemtechnik.
- • Ein planeres integriertes Mikromassenspektrometer (PIMMS) mit einer Grundfläche von beispielsweise 1 cm2.
- • An optical microsystem technology.
- • A planar integrated micro mass spectrometer (PIMMS) with a footprint of, for example, 1 cm 2 .
In
In
Die Auswerteeinrichtung
Mittels des in der jeweiligen Zelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Batteriezelle battery cell
- 22
- Zellgehäuse cell case
- 33
- Dehnungsmessstreifen Strain gauges
- 44
- Kraftsensor force sensor
- 55
- Gaszusammensetzungssensor Gas composition sensor
- 66
- Drucksensor pressure sensor
- 77
- optischer Reflexionssensor optical reflection sensor
- 1010
- Fahrzeug vehicle
- 1111
- Elektrodenwickel electrode winding
- 12–1412-14
- Trenner separator
- 1515
- Auswerteeinrichtung evaluation
- 1717
- Ausrichtung des Reflexionssensors Alignment of the reflection sensor
- 2020
- Energiespeicher energy storage
- 3030
- Kathode cathode
- 3232
- Substrat substratum
- 3434
- aktives Material active material
- 4040
- Anode anode
- 4242
- Substrat substratum
- 4444
- aktives Material active material
- 5050
- System system
- FF
- Kraft force
Claims (10)
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---|---|---|---|
DE102013212956.4A DE102013212956A1 (en) | 2013-07-03 | 2013-07-03 | Cell of an energy storage device for a vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013212956.4A DE102013212956A1 (en) | 2013-07-03 | 2013-07-03 | Cell of an energy storage device for a vehicle |
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---|---|
DE102013212956A1 true DE102013212956A1 (en) | 2015-01-08 |
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ID=52106234
Family Applications (1)
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DE102013212956.4A Pending DE102013212956A1 (en) | 2013-07-03 | 2013-07-03 | Cell of an energy storage device for a vehicle |
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---|---|
DE (1) | DE102013212956A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019219617A1 (en) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | ELECTRIC ENERGY STORAGE WITH GAS-SENSITIVE SENSOR COMPONENTS AND A METHOD FOR DETERMINING A STATE OF AN ELECTRIC ENERGY STORAGE |
Citations (2)
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---|---|---|---|---|
DE102012210263A1 (en) * | 2011-11-18 | 2013-05-23 | Robert Bosch Gmbh | Battery cell with a temperature sensor integrated in the battery cell housing |
DE102011088440A1 (en) * | 2011-12-13 | 2013-06-13 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Energy storage cell i.e. battery cell, for electric car, has first communication terminal coupled with second communication terminal for wireless transmitting characteristic of storage unit, where terminals are externally arranged at cell |
-
2013
- 2013-07-03 DE DE102013212956.4A patent/DE102013212956A1/en active Pending
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