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Verfahren zur Überwachung von Batteriezellen

IP.com Disclosure Number: IPCOM000187727D
Publication Date: 2009-Sep-17
Document File: 2 page(s) / 31K

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Abstract

Hybridfahrzeuge bzw. Elektrofahrzeuge werden teilweise bzw. ausschließlich durch elektrische Energie angetrieben werden. Hybridfahrzeuge weisen meist eine Verbrennungsmaschine, einen Elektroantrieb und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass sie ausschließlich durch einen Elektroantrieb angetrieben werden, welcher aus einem elektrochemischen Energiespeichers mit Energie versorgt wird. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen umfassen in der Regel eine Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einen Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einen elektrochemischen Energiespeicher und einen Elektroantrieb. Der Elektroantrieb des Hybridfahrzeuges ist meist als Starter-Generator und/oder als Vollantrieb ausgeführt. Als Starter-Generator ersetzt er den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als Vollantrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d.h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs beigetragen werden. Im Generatorbetrieb ermöglicht er eine Rekuperation von Bremsenergie zur Bordnetzversorgung. Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch den Elektroantrieb bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen. Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, welche meist als Hybrid-Controller bezeichnet wird. Der Hybrid-Controller entscheidet unter anderem, ob und in welchem Maß dem Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt wird. Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Energiespeichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie (regeneratives Bremsen). Bei Hybridfahrzeugen kann der Energiespeicher während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der Verbrennungsmotor bereit. Als Energiespeicher kommen vorzugsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz. Die Batteriezellen sind in den meisten Fällen in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht. Eine spezielle Ausführungsform des Gehäuses bei Lithium-Ionen-Zellen ist der sogenannte „Softpack“. Dieser besteht aus einer Aluminiumverbundfolie. Da diese Folie dünn (100-200 Mikrometer Wandstärke) und flexibel ist, wird eine in solcher Weise gehäuste Zelle als „Softpack“ bezeichnet. Die Überwachung des Innendrucks der Zelle ist von entscheidender Bedeutung. Ein schleichender nachlassender Druck kann auf eine betriebsbedingte elektrochemische Alterung oder eine beginnende Undichtigkeit der Verpackungsfolie hinweisen. Altert eine Zelle in einer Serienschaltung, so wird diese nicht nur in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Durch die Alterung kann die einzelne Zelle zunächst deutlich im Innenwiderstand ansteigen. Im ungünstigen Fall kann dann ein großer Teil der Gesamtspannung des Speichers über diese einzelne Zelle abfallen und diese soweit überlasten, dass zellinterne Sicherungsmaßnahmen nicht mehr ausreichend greifen können. Die Anzahl der in Serie geschalteten Einzelzellen in Li-Ionen Batterien bei Hybridanwendungen kann bis zu 100 und sogar mehr erreichen. Ein spontaner Druckanstieg kann auf eine starke kurzfristige Überlastung der Zelle hindeuten. Neben der Temperaturüberwachung kann die Drucküberwachung bereits einen vorzeitigen Hinweis geben, den Energiespeicher abzuschalten, da die sich die Ausgasung in der Regel deutlich schneller entwickelt als die Temperatur. Zur Überwachung des Anstiegs des Innendrucks des Softpacks sind beispielsweise Dehnmessstreifen auf diesem aufgebracht. Eine weitere irreversible Messmöglichkeit besteht in der Umschlingung der Zelle mit einem elektrischen Leiter, der beim Aufblähen der Zelle in Folge des steigenden Innendrucks reißt. Als reversible Möglichkeit zur Erkennung eines ansteigenden Zelleninnendrucks ist eine gezielte Ausdehnung der Zelle in eine vorgegebene Richtung unter Erfassung der Ausdehnung mittels eines Schalters oder eines Potentiometers denkbar. Die Überwachung von Batteriezellen durch die Messung von Zelltemperatur, Zellspannung und Zellstrom ist bekannt. Der Innendruck einer Batteriezelle im Betrieb ist neben der Zelltemperatur ein hervorragender Indikator um kritische Betriebszustände und eine fortgeschrittene Alterung einer Batteriezelle zu erfassen. Die Messung dieses Innendrucks erweist sich jedoch oftmals als schwierig. Zum einen ist ein Drucksensor mit Messleitungen innerhalb einer Zelle zu platzieren und dicht zu verschließen. Zum anderen sind entsprechende Drucksensoren, welche den aggressiven Bedingungen in der (elektro-)chemischen Batteriezelle standhalten, kostenintensiv und technisch schwer realisierbar. Schließlich beansprucht der Drucksensor in der Zelle zusätzlichen Bauraum, der zu Lasten der Energiedichte der Zelle geht. Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Abschätzung des Innendrucks, ohne eine Messung innerhalb der Zelle mit den genannten Nachteilen vornehmen zu müssen. Dadurch können auf kostengünstige und fertigungstechnisch einfach umzusetzende Weise kritische Zustände innerhalb der Batteriezellen erkannt werden. Ansatzpunkt ist die Erfassung und Überwachung von Veränderungen der Geometrie der Batteriezellen. Eine Veränderung der Geometrie der Zellen erlaubt Rückschlüsse auf den in der Zelle vorherrschenden Innendruck und damit auf kritische Zustände der Zellen (drohende Zerstörung oder schleichende Alterung der Zelle und Leistungsverlust). Der Innendruck der Zellen wird dabei nicht direkt gemessen, sondern indirekt über die Verformung bzw. Geometrieänderung der Zellen oder des Zellgehäuses.

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Verfahren zur Überwachung von Batteriezellen

Hybridfahrzeuge bzw. Elektrofahrzeuge werden teilweise bzw. ausschließlich durch elektrische Energie angetrieben werden. Hybridfahrzeuge weisen meist eine Verbrennungsmaschine, einen Elektroantrieb und einen oder mehrere elektrochemische Energiespeicher auf. Elektrofahrzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass sie ausschließlich durch einen Elektroantrieb angetrieben werden, welcher aus einem elektrochemischen Energiespeichers mit Energie versorgt wird. Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen umfassen in der Regel eine Brennstoffzelle zur Energiewandlung, einen Tank für flüssige oder gasförmige Energieträger, einen elektrochemischen Energiespeicher und einen Elektroantrieb.

Der Elektroantrieb des Hybridfahrzeuges ist meist als Starter-Generator und/oder als Vollantrieb ausgeführt. Als Starter-Generator ersetzt er den normalerweise vorhandenen Anlasser und die Lichtmaschine. Bei einer Ausführung als Vollantrieb kann ein zusätzliches Drehmoment, d.h. ein Beschleunigungsmoment, zum Vortrieb des Fahrzeugs beigetragen werden. Im Generatorbetrieb ermöglicht er eine Rekuperation von Bremsenergie zur Bordnetzversorgung.

Bei einem reinen Elektrofahrzeug wird die Antriebsleistung allein durch den Elektroantrieb bereitgestellt. Beiden Fahrzeugtypen, Hybrid- und Elektrofahrzeug, ist gemein, dass große Mengen elektrischer Energie bereitgestellt und transferiert werden müssen. Die Steuerung des Energieflusses erfolgt über eine Elektronik, welche meist als Hybrid-Controller bezeichnet wird. Der Hybrid-Controller entscheidet unter anderem, ob und in welchem Maß dem

Energiespeicher Energie entnommen oder zugeführt wird. Die Energieentnahme aus der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher dient allgemein zur Darstellung von Antriebsleistung und zur Versorgung des Fahrzeugbordnetzes. Die Energiezuführung dient der Aufladung des Energiespeichers bzw. zur Wandlung von Bremsenergie in elektrische Energie (regeneratives Bremsen). Bei Hybridfahrzeugen kann der Energiespeicher während des Fahrbetriebs wieder aufgeladen werden. Die hierfür benötigte Energie stellt der

Verbrennungsmotor bereit.

Als Energiespeicher kommen vorzugsweise Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz. Die Batteriezellen sind in den meisten Fällen in einem gasdichten Metallgehäuse untergebracht. Eine spezielle Ausführungsform des Gehäuses bei Lithium-Ionen-Zellen ist der sogenannte „Softpack“. Dieser besteht aus einer Aluminiumverbundfolie. Da diese Folie dünn (100-200 Mikrometer Wandstärke) und flexibel ist, wird eine in solcher Weise gehäuste Zelle als „Softpack“ bezeichnet.

Die Überwachung des Innendrucks der Zelle ist von entscheidender Bedeutung. Ein schleichender nachlassender Druck kann auf eine betriebsbedingte elektrochemische Alterung oder eine beginnende Undichtigkeit der Verpackungsfolie hinweise...