DE102020202857B4 - Device and method for thermal monitoring of a battery - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Überwachung einer Batterie (30), insbesondere einer Lithium-Ionen Batterie zur Vermeidung eines Thermal Runaways, mit der Batterie (30), welche mehrere Zellen (6) aufweist, die innerhalb eines Gehäuses (16) unter einer Vorspannung in einer Querrichtung (8) nebeneinander angeordnet sind, wobei eine Messanordnung (36) zur Erfassung einer Ausdehnung zumindest einer der Zellen in Querrichtung (8) vorgesehen ist und die Messanordnung (36) mehrere Sensoren (12) sowie eine Auswerteeinheit (18,34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12) jeweils zwischen zwei in Querrichtung (8) benachbarten Zellen (6) angeordnet und mit der Auswerteeinheit (18,34) verbunden sind, so dass eine Ausdehnung einer der Zellen (6) in Querrichtung (8) von der Messanordnung (36) erfasst und im Hinblick auf das Übersteigen eines kritischen Wertes für die Ausdehnung überwacht wird, wobei der kritische Wert auf ein potentielles Entstehen eines Thermal Runaways hindeutet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erfassungseinheit (40) zur Erfassung einer aktuellen Betriebstemperatur der Batterie (30) vorgesehen ist und die Auswerteeinheit (18,34) derart eingerichtet ist, dass der kritische Wert in Abhängigkeit der aktuellen Betriebstemperatur eingestellt wird. Device for monitoring a battery (30), in particular a lithium-ion battery to prevent thermal runaway, with the battery (30) having a plurality of cells (6) arranged next to one another within a housing (16) under a prestress in a transverse direction (8), wherein a measuring arrangement (36) is provided for detecting an expansion of at least one of the cells in the transverse direction (8), and the measuring arrangement (36) has a plurality of sensors (12) and an evaluation unit (18, 34), characterized in that the sensors (12) are each arranged between two cells (6) adjacent in the transverse direction (8) and are connected to the evaluation unit (18, 34), so that an expansion of one of the cells (6) in the transverse direction (8) is detected by the measuring arrangement (36) and monitored with regard to exceeding a critical value for the expansion, wherein the critical value indicates a potential occurrence of a thermal runaway, characterized in that a detection unit (40) for Detection of a current operating temperature of the battery (30) is provided and the evaluation unit (18,34) is set up such that the critical value is set as a function of the current operating temperature.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur thermischen Überwachung einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zur Vermeidung eines sogenannten „Thermal Runaway“.The invention relates to a device and a method for thermal monitoring of a battery, in particular a lithium-ion battery, to avoid a so-called “thermal runaway”.
Bei wieder aufladbaren Batterien, speziell Lithium-Batterien und insbesondere bei Hochvolt-Fahrzeugbatterien, welche für einen elektrischen Fahrantriebsmotor eingesetzt werden, ist das Problem des sogenannten „Thermal Runaway“ bekannt. Bei diesem handelt es sich um eine exotherme chemische Reaktion innerhalb einer Batteriezelle, bei der es aufgrund eines sich selbst verstärkenden und Wärme produzierenden chemischen Prozesses zu einer Überhitzung bis hin zu einer Explosion der Zelle oder zu einem Brand kommt. Ein derartiger Thermal Runaway startet innerhalb einer Zelle einer Batterie, beispielsweise aufgrund einer Überlastung oder eines Kurzschlusses. Übersteigt die dadurch bedingte erhöhte Temperatur eine Grenztemperatur, so beginnt der sich selbst verstärkende chemische Prozess, der die Temperatur der Zelle weiter anheizt bis zur Explosion oder zum Brand der Zelle. Dadurch werden auch benachbarte Zellen beeinflusst, die aufgrund der höheren Wärme ebenfalls zu brennen beginnen können. Das sich ausbreitende Feuer kann sich dann sehr schnell auf die gesamte Batterie und im Falle einer Fahrzeugbatterie auf das Fahrzeug ausbreiten.The problem of so-called "thermal runaway" is well known with rechargeable batteries, especially lithium batteries and especially with high-voltage vehicle batteries used for electric traction motors. This is an exothermic chemical reaction within a battery cell in which a self-reinforcing and heat-producing chemical process leads to overheating, possibly resulting in an explosion of the cell or a fire. Such thermal runaway starts within a cell of a battery, for example due to overload or a short circuit. If the resulting increased temperature exceeds a threshold temperature, the self-reinforcing chemical process begins, which further heats up the cell temperature until the cell explodes or catches fire. This also affects neighboring cells, which can also begin to burn due to the higher heat. The spreading fire can then spread very quickly to the entire battery and, in the case of a vehicle battery, to the vehicle itself.
Aus der
Die
Die
Aus
Gemäß
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie, speziell einer wieder aufladbaren Batterie (Akkumulator) und insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zur Vermeidung eines Thermal Runaways anzugeben.Based on this, the invention is based on the object of specifying a device and a method for monitoring a battery, especially a rechargeable battery (accumulator) and in particular a lithium-ion battery, in order to avoid a thermal runaway.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen. The object is achieved according to the invention by a device having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 13. The advantages and preferred embodiments mentioned with regard to the device are also to be transferred to the method.
Die Vorrichtung weist eine wieder aufladbare Batterie (Akkumulator), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie auf, welche mehrere insbesondere quaderförmige Zellen aufweist, die innerhalb eines Gehäuses unter einer Vorspannung in einer Querrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Messanordnung zur Erfassung einer Ausdehnung zumindest einer der Zellen in Querrichtung. Die Messanordnung weist hierzu mehrere insbesondere kapazitive Sensoren sowie eine Auswerteeinheit auf. Die Sensoren sind jeweils zwischen zwei in Querrichtung benachbarten Zellen angeordnet und mit der Auswerteeinheit verbunden. Bei einer Ausdehnung einer der Zellen in Querrichtung wird durch diese Messanordnung eine Abstandsänderung von den Sensoren und der Auswerteeinheit erfasst. Bei der Verwendung von kapazitiven Sensoren wird durch die Abstandsänderung eine Kapazitätsänderung hervorgerufen, die von der Auswerteeinheit ausgewertet wird.The device comprises a rechargeable battery (accumulator), in particular a lithium-ion battery, which has a plurality of, in particular, cuboid-shaped cells that are arranged next to one another within a housing under a bias voltage in a transverse direction. The device further comprises a measuring arrangement for detecting an expansion of at least one of the cells in the transverse direction. For this purpose, the measuring arrangement has a plurality of, in particular, capacitive sensors and an evaluation unit. The sensors are each arranged between two cells adjacent in the transverse direction and are connected to the evaluation unit. If one of the cells expands in the transverse direction, this measuring arrangement detects a change in distance between the sensors and the evaluation unit. When capacitive sensors are used, the change in distance causes a change in capacitance, which is evaluated by the evaluation unit.
Mit dieser Messanordnung wird die Batterie im Hinblick auf die Entstehung eines Thermal Runaways überwacht. Sobald eine kritische Ausdehnung bzw. Abstandsänderung zwischen zwei benachbarten Zellen detektiert wird, die einen kritischen Wert übersteigt, wobei dieser kritische Wert charakteristisch für das potenzielle Entstehen eines Thermal Runaways ist, so wird eine entsprechende Gegenmaßnahme eingeleitet. Eine solche besteht beispielsweise darin, die Belastung der Batterie zu reduzieren oder die Batterie vom restlichen (Bord-)Netz speziell eines Kraftfahrzeugs zu trennen. Die Vorrichtung, speziell die Auswerteeinheit ist insgesamt zur Durchführung dieser Schritte ausgelegt und eingerichtet.This measurement setup monitors the battery for the occurrence of thermal runaway. As soon as a critical expansion or change in distance between two neighboring cells is detected that exceeds a critical value, which is characteristic of the potential occurrence of thermal runaway, appropriate countermeasures are initiated. One such countermeasure could be reducing the load on the battery. or to disconnect the battery from the rest of the (on-board) electrical system, especially of a motor vehicle. The device, especially the evaluation unit, is designed and configured to carry out these steps.
Der kritische Wert für die Abstandsänderung ist allgemein größer als eine betriebsübliche Änderung infolge von normalen, betriebsbedingten Temperaturschwankungen innerhalb eines zulässigen Betriebstemperaturbereiches.The critical value for the change in distance is generally greater than a normal operating change due to normal, operational temperature fluctuations within a permissible operating temperature range.
Durch diese Maßnahme ist daher insgesamt eine prädiktive Erkennung eines potenziell entstehenden Thermal Runaways gewährleistet und die Entstehung eines solchen zuverlässig vermieden. Ein besonderer Vorteil der Messanordnung besteht darin, dass durch den insbesondere kapazitiven Sensor jeweils eine individuelle Messung zwischen zwei in Querrichtung benachbarten Zellen erfolgt, sodass also jede Zelle individuell überwacht werden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung.This measure therefore ensures predictive detection of a potential thermal runaway and reliably prevents its occurrence. A particular advantage of the measurement setup is that the capacitive sensor, in particular, performs an individual measurement between two adjacent cells in the transverse direction, allowing each cell to be monitored individually. This is of particular importance.
Die hier betrachteten Batterien, speziell Fahrzeugbatterien, sind derart aufgebaut, dass mehrere Zellen zu einem Zellmodul zusammengefasst sind. Innerhalb eines Zellmoduls sind die einzelnen Zellen typischerweise in Serie miteinander verschaltet, sodass sich die Spannung des Zellmoduls aus der Summe der Spannungen der einzelnen Zellen ergibt. Das Zellmodul selbst weist typischerweise ein Modulgehäuse auf. Die einzelnen in einem Zellmodul zusammengefassten Zellen sind typischerweise innerhalb des Modulgehäuses gegeneinander verspannt gehalten. Es wird also bereits in dem Ausgangszustand ein gewisser Druck auf die Einzelzellen ausgeübt. Hierdurch wird eine möglichst hohe Packungsdichte der einzelnen Zellen und insgesamt ein kompakter Aufbau der Batterie erreicht. Mehrere derartige Zellmodule werden zur Ausbildung der gesamten Batterie wiederum miteinander verschaltet und typischerweise innerhalb eines Batteriegehäuses zusammengefasst. Die einzelnen Zellmodule sind typischerweise ebenfalls in Serie miteinander verbunden, um die gewünschte Batteriespannung zu erreichen. Je nach Anwendungsgebiet, speziell bei einer Batterie zur Versorgung eines elektrischen Fahrmotors eines Kraftfahrzeug, liegt die Batteriespannung und die entsprechende Versorgungsspannung für den elektrischen Fahrmotor bei typischerweise mehreren 100 Volt, typischerweise größer 300 Volt und beispielsweise im Bereich zwischen 300 und 1.000 Volt.The batteries considered here, especially vehicle batteries, are constructed in such a way that several cells are combined to form a cell module. Within a cell module, the individual cells are typically connected in series, so that the voltage of the cell module is the sum of the voltages of the individual cells. The cell module itself typically has a module housing. The individual cells combined in a cell module are typically held against one another within the module housing. This means that a certain amount of pressure is exerted on the individual cells even in their initial state. This achieves the highest possible packing density of the individual cells and an overall compact battery structure. Several such cell modules are in turn interconnected to form the entire battery and are typically combined within a battery housing. The individual cell modules are also typically connected in series to achieve the desired battery voltage. Depending on the application, especially in the case of a battery for supplying an electric traction motor of a motor vehicle, the battery voltage and the corresponding supply voltage for the electric traction motor is typically several hundred volts, typically greater than 300 volts and, for example, in the range between 300 and 1,000 volts.
Sofern vorliegend von „Zelle“ gesprochen wird, so ist hierunter sowohl eine einzelne (galvanische) Einzelzelle zu verstehen, welche eine (einzige) Kathode sowie eine (einzige) Anode und einen dazwischen angeordneten Separator aufweist. Daneben wird unter „Zelle“ ergänzend auch die gemeinsame Anordnung von mehreren derartigen Einzelzellen verstanden, bei der sich also der Schicht-Aufbau Kathode - Separator - Anode periodisch wiederholt. Werden mehrere derartige Einzelzellen für den Aufbau einer Zelle herangezogen, so sind die darin enthaltenen Einzelzellen vorzugsweise parallel verschaltet. Die Zelle weist daher die Spannung einer jeweiligen Einzelzelle auf. Eine Einzelzelle weist typischerweise eine Spannung im Bereich von einigen Volt, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 5 Volt auf. Typische Werte für eine Lithium-Einzelzelle liegen - in Abhängigkeit der eingesetzten Materialien - zwischen 2 und 4,5 Volt. Unter „Zelle“ wird vorliegend insbesondere eine Einzelzelle verstanden.Whenever the term "cell" is used here, this refers to a single (galvanic) individual cell having a (single) cathode and a (single) anode, with a separator arranged between them. In addition, "cell" is also understood to mean the joint arrangement of several such individual cells, in which the layer structure of cathode - separator - anode is repeated periodically. If several such individual cells are used to construct a cell, the individual cells contained therein are preferably connected in parallel. The cell therefore has the voltage of a respective individual cell. An individual cell typically has a voltage in the range of a few volts, for example in the range between 1 and 5 volts. Typical values for a single lithium cell are - depending on the materials used - between 2 and 4.5 volts. In this case, "cell" is understood to mean, in particular, an individual cell.
Das Gehäuse einer Zelle, nachfolgend auch als Zellgehäuse bezeichnet, besteht beispielsweise aus einem eigensteifen und formstabilen, typischerweise quaderförmigen Volumenkörper. Alternativ besteht das Gehäuse der Zelle aus einem flexiblen Material, beispielsweise aus einer (Metall-)Folie.The housing of a cell, also referred to as the cell casing, consists, for example, of an inherently rigid and dimensionally stable, typically cuboid-shaped solid body. Alternatively, the cell casing is made of a flexible material, such as a (metal) foil.
Unter „Zellmodul“ wird vorliegend insbesondere ein Zellmodul verstanden, bei dem beispielsweise 4 bis 20, und insbesondere 4 bis 14 Zellen miteinander in Serie verschaltet und angeordnet sind.In the present case, “cell module” is understood to mean, in particular, a cell module in which, for example, 4 to 20, and in particular 4 to 14 cells are connected and arranged in series.
Die individuelle Überwachung einer jeweiligen Zelle durch das Messen der Abstandsänderung zwischen zwei in Querrichtung benachbarten Zellen hat den besonderen Vorteil einer hohen Sensitivität im Hinblick auf eine Fehlfunktion einer individuellen Zelle, d.h. im Hinblick auf ein potenzielles Entstehen eines Thermal Runaways innerhalb einer Zelle. Im Unterschied zu Überwachungssystemen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, bei denen beispielsweise zur Kontrolle des Ladezustands lediglich die Ausdehnung des gesamten Zellmoduls (Verbund von Zellen) ermittelt wird, ist die Empfindlichkeit deutlich höher. Erst hierdurch ist eine zuverlässige und sichere prädiktive Erkennung eines Thermal Runaways vor dessen Entstehung gewährleistet.Individual monitoring of each cell by measuring the change in distance between two adjacent cells in the transverse direction has the particular advantage of high sensitivity with regard to a malfunction of an individual cell, i.e., with regard to the potential occurrence of a thermal runaway within a cell. In contrast to state-of-the-art monitoring systems, which, for example, only determine the expansion of the entire cell module (assembly of cells) to check the state of charge, the sensitivity is significantly higher. Only this ensures reliable and safe predictive detection of a thermal runaway before it occurs.
In zweckdienlicher Ausgestaltung ist ein jeweiliger Sensor und die Auswerteeinheit zur Erfassung einer Abstandsänderung zwischen zwei Zellen im Bereich zwischen 1µm und 100µm und insbesondere zwischen 1µm und 50µm ausgebildet. Hierdurch ist eine hohe Sensitivität gewährleistet und bereits geringste Ausdehnungen infolge einer zunehmenden Temperatur können zuverlässig erfasst werden.In a practical embodiment, each sensor and the evaluation unit are designed to detect a change in distance between two cells in the range between 1 µm and 100 µm, and in particular between 1 µm and 50 µm. This ensures high sensitivity, allowing even the smallest expansions due to increasing temperature to be reliably detected.
Sofern vorliegend von „Änderung“, beispielsweise eines Messwerts des Sensors oder einer hiervon abgeleiteten Größe, wie zum Beispiel der Abstand, gesprochen wird, so bezieht sich der Begriff „Änderung“ immer auf einen Basis- oder Referenzwert in einem Ausgangszustand der Batterie. Ein solcher Ausgangszustand ist insbesondere ein lastfreier Zustand bei einer Referenztemperatur insbesondere von beispielsweise 20°. Dieser Referenz- oder Basiswert wird insbesondere durch eine Kalibriermessung erfasst und hinterlegt. Eine derartige Kalibriermessung erfolgt beispielsweise bei jeder einzelnen Batterie oder alternativ lediglich anhand einer Referenzbatterie, zu der die jeweilige Batterie baugleich ist. Speziell wird daher von dem Sensor und/oder der Auswerteeinheit lediglich eine Relativmessung bzw. Relativänderung vorgenommen/ermittelt, ohne dass eine genaue absolute Bestimmung erforderlich ist oder vorgenommen wird.If we speak of a "change" in this case, for example, of a measured value from the sensor or a value derived from it, such as distance, the term "change" always refers to a base or reference value in an initial state of the battery. A suitable initial state is, in particular, a load-free state at a reference temperature, in particular of 20°C, for example. This reference or base value is recorded and stored, in particular, by a calibration measurement. Such a calibration measurement is carried out, for example, for each individual battery or, alternatively, solely on the basis of a reference battery to which the respective battery is identical in construction. Therefore, the sensor and/or the evaluation unit specifically performs/determines only a relative measurement or relative change, without a precise absolute determination being required or performed.
Der Sensor weist weiterhin in Querrichtung betrachtet eine Dicke im Bereich von 150µm bis 500µm und insbesondere eine Dicke im Bereich zwischen 200 bis 400µm und speziell eine Dicke von 300µm auf. Hierdurch wird der erforderliche Bauraum für das Zellmodul nur geringfügig erhöht und eine kompakte Bauweise ist weiterhin sichergestellt.The sensor also has a thickness in the transverse direction in the range of 150µm to 500µm, and in particular a thickness in the range of 200 to 400µm, and especially a thickness of 300µm. This only slightly increases the required installation space for the cell module and still ensures a compact design.
Bei den Sensoren handelt es sich vorzugsweise um flächige, kapazitive Sensoren. Die Fläche der Sensoren entspricht dabei beispielsweise mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 20% einer Grundfläche der jeweiligen Zellen, welche senkrecht zur Querrichtung orientiert ist.The sensors are preferably flat, capacitive sensors. The sensor area corresponds, for example, to more than 5%, preferably more than 20%, of the base area of the respective cells, which is oriented perpendicular to the transverse direction.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen je einem Paar an Zellen jeweils ein Sensor angeordnet, so dass zwischen jedem Zellpaar ein Sensor angeordnet ist. Allgemein wird also mithilfe der Messanordnung der Abstand jeweils zwischen zwei benachbarten Zellen eines Zellmoduls überwacht.In a preferred embodiment, a sensor is arranged between each pair of cells, so that a sensor is arranged between each cell pair. In general, the distance between two adjacent cells of a cell module is monitored using the measuring arrangement.
Allgemein ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, die Messwerte, also speziell die (Kapazitäts-)Änderungen der verschiedenen Sensoren miteinander zu vergleichen. Weiterhin ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, diese Messwerte der Sensoren im Hinblick auf eine ungleichmäßige Änderung (gegenüber dem erwähnten Basiswert) zu überwachen, wobei eine ungleichmäßige Änderung der Messwerte als ein Übersteigen des kritischen Wertes gewertet wird und eine entsprechende Gegenmaßnahme initiiert wird.In general, the evaluation unit is designed to compare the measured values, specifically the (capacitance) changes of the various sensors. Furthermore, the evaluation unit is designed to monitor these measured values of the sensors for any irregular changes (compared to the aforementioned baseline value). An irregular change in the measured values is interpreted as an exceedance of the critical value, and appropriate countermeasures are initiated.
Die einzelnen Messwerte der Sensoren werden daher relativ zueinander verglichen. Dies beruht auf der Überlegung, dass beispielsweise eine starke Änderung bei einem Sensor darauf hindeutet, dass eine diesem Sensor benachbarte Zelle fehlerhaft ist. Demgegenüber würden Sensoren, die nicht fehlerhaften Zellen zugeordnet sind, eine deutlich geringere Änderung erfahren, sodass also aus diesem relativen Vergleich ein Rückschluss auf eine defekte Zelle gezogen werden kann. Sofern vorliegend von einer „ungleichmäßigen Änderung“ gesprochen wird, so wird hierunter verstanden, dass die Änderungen zwischen zwei Sensoren voneinander um mehr als ein zulässiger Toleranzbereich abweichen, wobei der Toleranzbereich beispielsweise 10%, 20% oder 30% bezogen auf die Änderung beträgt.The individual measured values from the sensors are therefore compared relative to one another. This is based on the idea that, for example, a significant change in one sensor indicates that a cell adjacent to that sensor is faulty. In contrast, sensors assigned to non-faulty cells would experience a significantly smaller change, so that a conclusion about a defective cell can be drawn from this relative comparison. If an "uneven change" is mentioned here, this means that the changes between two sensors differ from one another by more than a permissible tolerance range, where the tolerance range is, for example, 10%, 20%, or 30% of the change.
Durch die individuelle Auswertung der einzelnen Sensoren ist weiterhin auch eine Lokalisierung der schadhaften Zelle möglich und wird vorzugsweise durch die Auswerteeinheit auch vorgenommen.Through the individual evaluation of the individual sensors, it is also possible to localize the defective cell and this is preferably carried out by the evaluation unit.
Gemäß der Erfindung ist ergänzend eine Erfassungseinheit, insbesondere ein Temperatursensor, zur Erfassung einer aktuellen Betriebstemperatur der Batterie angeordnet. Die Auswerteeinheit ist weiterhin derart eingerichtet, dass der kritische Wert in Abhängigkeit der aktuellen Betriebstemperatur eingestellt wird. Der zumindest eine Temperatursensor ist dabei an einer geeigneten Messstelle unmittelbar an oder in der Batterie platziert. Bevorzugt sind mehrere Temperatursensoren vorgesehen und als aktuelle Betriebstemperatur wird in diesem Fall ein aus den mehreren gemessenen Temperaturen abgeleiteter Wert, beispielsweise ein Mittelwert, ermittelt.According to the invention, a detection unit, in particular a temperature sensor, is additionally arranged for detecting a current operating temperature of the battery. The evaluation unit is further configured such that the critical value is set depending on the current operating temperature. The at least one temperature sensor is placed at a suitable measuring point directly on or in the battery. Preferably, several temperature sensors are provided, and in this case, a value derived from the several measured temperatures, for example, an average value, is determined as the current operating temperature.
Die Berücksichtigung der aktuellen Betriebstemperatur und die Einstellung des kritischen Wertes, also des Wertes für die zulässige Änderung des Messwerts des Sensors gegenüber seinem Referenzwert, beruht darauf, dass die einzelnen Zellen während des Betriebs eine zulässige Ausdehnung infolge von normalen, betriebsbedingten Temperaturen erfahren. So führen typischerweise hohe Lastzustände, speziell beim Ladevorgang, zu Temperaturerhöhungen und entsprechenden Ausdehnungen der einzelnen Zellen. Diese werden daher durch die Veränderung des kritischen Werts von der Auswerteeinheit bereits berücksichtigt. Im Falle von hohen Temperaturen sind nämlich insgesamt höhere Werte für die Ausdehnung zulässig, d.h. der kritische Wert für die zulässige Änderung gegenüber dem Referenzwert nimmt mit steigender Betriebstemperatur zu. So kann beispielsweise eine Änderung um 20%, bezogen auf den Referenzwert, bereits alleine durch eine übliche Betriebstemperatur bedingt sein. Tritt jedoch eine Änderung von 20% in einem „kalten“ Zustand der Batterie auf, so kann dies bereits Indiz für eine schadhafte Zelle sein. Entsprechend wird daher mit zunehmender Betriebstemperatur ein höherer Wert für den kritischen Wert eingestellt, ab dessen Überschreitung prädiktiv auf einen Fehler geschlossen wird.The consideration of the current operating temperature and the setting of the critical value, i.e. the value for the permissible change in the sensor's measured value compared to its reference value, is based on the fact that the individual cells experience a permissible expansion during operation as a result of normal, operating temperatures. High load conditions, especially during charging, typically lead to temperature increases and corresponding expansion of the individual cells. These are therefore already taken into account by the evaluation unit through the change in the critical value. In the case of high temperatures, higher values for expansion are permissible overall, i.e. the critical value for the permissible change compared to the reference value increases with increasing operating temperature. For example, a change of 20%, relative to the reference value, can be caused solely by a normal operating temperature. However, if a change of 20% occurs when the battery is "cold", this can already be an indication of a defective cell. Accordingly, as the operating temperature increases, a higher value is set for the critical value, above which a fault is predictively concluded.
In zweckdienlicher Ausgestaltung ist ein jeweiliger Sensor als Differenzkondensator mit zwei gegenüberliegenden Basiselektroden und mit einer dazwischen angeordneten Messelektrode ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine hohe Sensitivität selbst bei kleinsten Abstandsänderungen.In a practical embodiment, each sensor is designed as a differential capacitor with two opposing base electrodes and a measuring electrode arranged between them. This design enables high sensitivity even for the smallest distance changes.
Zweckdienlicherweise sind die Basiselektroden und die Messelektroden als flächige Elektroden ausgebildet und parallel zueinander angeordnet.For convenience, the base electrodes and the measuring electrodes are designed as flat electrodes and arranged parallel to each other.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die Basiselektrode und die Messelektrode Z-förmig angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung eines Z-förmigen Differenzkondensators ist beispielsweise in der
In zweckdienlicher Ausgestaltung liegen die Basiselektroden dabei auf Grundpotenzial (Masse) und die Messelektrode ist mit einem Messanschluss der Auswerteeinheit verbunden. Allgemein ist ein derartiger Differenzkondensator durch zwei in Serie geschaltete Kondensatoren gebildet. Hierdurch wird insgesamt die Kapazität und dadurch die Sensitivität erhöht. Durch die Maßnahme, dass die gegenüberliegenden, äußeren Basiselektroden auf Massepotenzial liegen, ist zugleich eine Abschirmung durch diese Basiselektroden erreicht.In a practical design, the base electrodes are connected to ground potential (earth), and the measuring electrode is connected to a measuring terminal of the evaluation unit. Such a differential capacitor is generally formed by two capacitors connected in series. This increases the overall capacitance and thus the sensitivity. By connecting the opposing, outer base electrodes to ground potential, shielding is also achieved by these base electrodes.
Die zuvor beschriebene parallele Anordnung der Elektroden ist die bevorzugte Ausgestaltung. Durch diese ist ein besonders kompakter Aufbau ermöglicht und bereits kleinste Ausdehnungen einer Zelle und der dadurch bedingte Druckanstieg, welcher zu einem minimalen Zusammendrücken des Sensors führt, lassen sich daher zuverlässig detektieren.The previously described parallel arrangement of the electrodes is the preferred configuration. This allows for a particularly compact design and reliably detects even the smallest expansion of a cell and the resulting pressure increase, which leads to minimal compression of the sensor.
Die Auswerteeinheit weist dabei insbesondere einen Oszillator, speziell einen RC-Oszillator, auf. Dessen Resonanzfrequenz verschiebt sich infolge einer Kapazitätsänderung des durch den Sensor gebildeten Kondensators, sodass also eine genaue Erfassung einer Änderung gewährleistet ist.The evaluation unit includes an oscillator, specifically an RC oscillator. Its resonant frequency shifts as a result of a change in the capacitance of the capacitor formed by the sensor, thus ensuring accurate detection of any change.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen der Basiselektrode und der Messelektrode jeweils noch eine elastische, dielektrische Lage (aus einem nicht gasförmigen Material) angeordnet. Diese definiert dabei zugleich einen isolierenden Abstandshalter zwischen den beiden Elektroden und erlaubt eine Kompression infolge einer thermisch bedingten Ausdehnung der Zellen.In a preferred embodiment, an elastic, dielectric layer (made of a non-gaseous material) is arranged between the base electrode and the measuring electrode. This layer simultaneously defines an insulating spacer between the two electrodes and allows compression due to thermally induced cell expansion.
Die dielektrische Lage weist dabei vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 100µm bis 200µm auf.The dielectric layer preferably has a thickness in the range of 100µm to 200µm.
Durch die Wahl der Dicke und/oder Dichte der dielektrischen Lage werden die Eigenschaften des Kondensators (Sensors) beeinflusst und können bedarfsgerecht eingestellt werden.By choosing the thickness and/or density of the dielectric layer, the properties of the capacitor (sensor) are influenced and can be adjusted as required.
Die Elektroden, insbesondere die Basiselektroden, sind durch Metallfolien, speziell durch Kupferfolien gebildet. Diese weisen insbesondere eine Dicke im Bereich von lediglich 50 bis 80µm auf.The electrodes, especially the base electrodes, are formed from metal foils, specifically copper foils. These typically have a thickness in the range of only 50 to 80 µm.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Auswerteeinheit weiterhin innerhalb eines Modulgehäuses angeordnet, welches die mehreren Zellen, die zu einem Zellmodul zusammengefasst sind, umgibt. Durch diese integrale Anordnung innerhalb des Modulgehäuses ist eine unmittelbare Überwachung erreicht. Die einzelnen Auswerteeinheiten der jeweiligen Zellmodule der Batterie stehen dabei insbesondere mit einer Zentraleinheit, beispielsweise einem Batteriemanagementsystem, in Verbindung. Auch bei dieser handelt es sich um eine zentrale Auswerteeinheit, die typischerweise unmittelbar an der Batterie angeordnet oder in diese integriert ist.In a preferred embodiment, the evaluation unit is further arranged within a module housing that surrounds the multiple cells combined to form a cell module. This integral arrangement within the module housing enables direct monitoring. The individual evaluation units of the respective cell modules of the battery are connected in particular to a central unit, for example, a battery management system. This is also a central evaluation unit, which is typically arranged directly on the battery or integrated into it.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen.
-
1 ein Zellmodul mit mehreren innerhalb eines Modulgehäuses integrierten Zellen mit dazwischen angeordneten Sensoren, -
2 eine Batterie mit mehreren der in1 dargestellten Zellmodule, -
3 eine Messanordnung mit einer ersten Variante eines kapazitiven Sensors und -
4 eine Messanordnung mit einer zweiten Variante eines kapazitiven Sensors.
-
1 a cell module with several cells integrated within a module housing with sensors arranged in between, -
2 a battery with several of the1 cell modules shown, -
3 a measuring arrangement with a first variant of a capacitive sensor and -
4 a measuring arrangement with a second variant of a capacitive sensor.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.In the figures, parts with the same function are shown with the same reference symbols.
Das in
In Querrichtung 8 betrachtet ist zwischen zwei benachbarten Zellen 6 jeweils ein Sensor 12 angeordnet. Dieser ist insbesondere als kapazitiver Sensor und speziell als Differenzkondensator ausgebildet, wie er in unterschiedlichen Varianten zu den
Die einzelnen Sensoren 12 sind daher zwischen zwei benachbarten Zellen 6 eingeklemmt. Durch den von dem Modulgehäuse 4 ausgeübten Druck wird auf die Sensoren ein durch erste Pfeile 14 dargestellter Druck auf die Sensoren 12 ausgeübt.The individual sensors 12 are therefore clamped between two adjacent cells 6. The pressure exerted by the module housing 4 exerts a pressure on the sensors 12, represented by first arrows 14.
Im Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Zellen 6 dargestellt. Eine jede Zelle 6 weist ein Gehäuse 16 auf. Ein jeweiliger Sensor 12 ist daher zwischen Wänden von benachbarten Gehäusen 16 angeordnet und eingeklemmt.In the exemplary embodiment, a total of four cells 6 are shown. Each cell 6 has a housing 16. A respective sensor 12 is therefore arranged and clamped between walls of adjacent housings 16.
Der jeweilige Sensor 12 weist in Querrichtung 8 betrachtet eine Dicke von vorzugsweise 300µm auf. Diese Dicke entspricht zugleich einem Abstand a zwischen einander benachbarten Zellen 6The respective sensor 12 has a thickness of preferably 300µm, viewed in the transverse direction 8. This thickness also corresponds to a distance a between adjacent cells 6
Innerhalb des jeweiligen Modulgehäuses 4 ist weiterhin eine Auswerteeinheit 18 angeordnet, die mit jedem der Sensoren 12 verbunden ist, um dessen Messwerte zu erfassen. In der
In der
Bei den Basiselektroden 22 handelt es sich um flächige, folienartige Elemente, die aus Metall, insbesondere aus Kupfer bestehen. Die beiden Basiselektroden 22 liegen dabei auf einem gemeinsamen Basis- oder Massepotenzial. Im Ausführungsbeispiel sind die beiden Basiselektroden 22 einstückig ausgebildet und miteinander durch ein Querverbindungsstück 28, welches im Ausführungsbeispiel der
Wie in der
Die einzelnen Sensoren 12 zusammen mit den einzelnen Auswerteeinheiten 18 und ggf. zusammen mit der zentralen Auswerteeinheit 34 bilden eine Messanordnung 36, die zur prädiktiven Erkennung eines unerwünschten Thermal Runaways ausgebildet ist.The individual sensors 12 together with the individual evaluation units 18 and possibly together with the central evaluation unit 34 form a measuring arrangement 36 which is designed for the predictive detection of an undesired thermal runaway.
Ein Thermal Runaway entsteht durch eine Fehlfunktion innerhalb einer einzelnen Zelle 6 beispielsweise durch Überlast oder durch einen internen Kurzschluss. Dies führt zu einer thermischen Erwärmung. Wird eine Grenztemperatur erreicht kommt es zu einer chemischen Reaktion innerhalb der Zelle 6, welche die Zelltemperatur weiter anheizt. Eine derartige Reaktion verstärkt sich durch die zunehmende Temperatur. Eine unzulässige Temperaturänderung kündigt sich durch eine thermisch bedingte Expansion der Zelle 6 an.A thermal runaway occurs due to a malfunction within an individual cell 6, for example, due to overload or an internal short circuit. This leads to thermal heating. If a limit temperature is reached, a chemical reaction occurs within cell 6, further increasing the cell temperature. This reaction intensifies as the temperature increases. An unacceptable temperature change is indicated by a thermally induced expansion of cell 6.
Eine derartige Ausdehnung einer Zelle 6 führt zu einem erhöhten Druck bzw. zu einer Ausdehnung in Richtung der zweiten Pfeile 38, wie sie in einer der in
Überschreitet diese Kapazitätsänderung und damit die Abstandsänderung zwischen zwei benachbarten Zellen 6 einen kritischen Wert, welcher auf das potenzielle Entstehen eines Thermal Runaways hindeutet, so gibt die Auswerteeinheit 18,34 ein entsprechendes Warnsignal ab, um eine Gegenmaßnahme einzuleiten. Diese Gegenmaßnahme besteht beispielsweise im Abschalten der Batterie oder zumindest in einer Reduzierung der Belastung der Batterie, beispielsweise eine Reduzierung eines Ladestroms oder eines aktuell abgegebenen Stroms.If this change in capacity and thus the change in distance between two adjacent cells 6 exceeds a critical value, which indicates the potential occurrence of a thermal runaway, the evaluation unit 18, 34 emits a corresponding warning signal in order to initiate a countermeasure. This countermeasure consists, for example, in switching off the battery or at least in a reduction of the load on the battery, for example a reduction of a charging current or a current currently delivered.
Die Auswerteeinheit 18,34 wertet insbesondere parallel die Messergebnisse der einzelnen Sensoren 12 eines jeweiligen Zellmoduls 2 aus. Die Auswerteeinheit 18,34 erkennt dabei auf eine Überschreitung des kritischen Werts und löst die Gegenmaßnahme aus, sofern die relative Änderung (Abstandsänderung, Kapazitätsänderung) der einzelnen Sensoren 12 über einen Toleranzbereich hinweg voneinander abweichen. Der Toleranzbereich liegt beispielsweise bei +/-10%, bei +/-20% oder +/-30%. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass im Falle einer einzelnen fehlerhaften Zelle 6a zunächst lediglich diese Zelle 6a sich überproportional (im Vergleich zu den nicht fehlerhaften Zellen 6) ausdehnt und daher besonders die dieser fehlerhaften Zelle 6a benachbarten Sensoren 12 eine übermäßige Kompression erfahren. Unterschiedliche Änderungen sind daher ein Indiz für die fehlerhafte Zelle 6a. Speziell wird diese auch lokalisiert, da die ihr benachbarten Sensoren 12 eine überproportionale Zunahme der Kapazität zeigen.The evaluation unit 18, 34 particularly evaluates the measurement results of the individual sensors 12 of a respective cell module 2 in parallel. The evaluation unit 18, 34 detects an exceedance of the critical value and triggers the countermeasure if the relative change (change in distance, change in capacitance) of the individual sensors 12 deviates from one another beyond a tolerance range. The tolerance range is, for example, +/-10%, +/-20%, or +/-30%. This takes into account the fact that in the case of a single defective cell 6a, initially only this cell 6a expands disproportionately (compared to the non-defective cells 6) and therefore, in particular, the sensors 12 adjacent to this defective cell 6a experience excessive compression. Different changes are therefore an indication of the defective cell 6a. This cell is also specifically localized because the sensors 12 adjacent to it show a disproportionate increase in capacitance.
Die Auswerteeinheit 18,34 ist weiterhin zur Berücksichtigung der Temperatur der Batterie 30 ausgebildet. Hierzu ist zumindest ein Temperatursensor 40 vorgesehen, welcher in der
Der kritische Wert, ab dem auf eine Fehlfunktion geschlossen wird, variiert dabei in Abhängigkeit der vom Temperatursensor 40 erfassten Temperatur. D.h. die Auswertung, ob eine fehlerhafte Zelle 6a vorliegt, erfolgt allgemein ein Abhängigkeit der erfassten aktuellen Betriebstemperatur der Batterie 30 bzw. zumindest der aktuellen Betriebstemperatur des jeweiligen Zellmoduls 2 oder der jeweiligen Zelle 6.The critical value at which a malfunction is concluded varies depending on the temperature detected by the temperature sensor 40. This means that the evaluation of whether a faulty cell 6a is present generally depends on the detected current operating temperature of the battery 30 or at least the current operating temperature of the respective cell module 2 or the respective cell 6.
Eine derartige Batterie 30 ist insbesondere als eine Hochvolt-Batterie speziell zur elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors (Fahrmotor) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs (Kraftfahrzeug) ausgebildet und in einem solchen angeordnet. Die Spannung der Batterie 30 liegt dabei typischerweise im Bereich von mehreren 100 Volt.Such a battery 30 is designed, in particular, as a high-voltage battery specifically for supplying electrical power to an electric drive motor (traction motor) of an electric or hybrid vehicle (motor vehicle) and is arranged in such a vehicle. The voltage of the battery 30 is typically in the range of several hundred volts.
Die
In der
Die in der
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt. Abwandlungen sind im Rahmen des durch die Schutzansprüche definierten Umfangs möglich. Speziell können anstelle der hier beschriebenen kapazitiven Sensoren auch andere Sensoren, speziell Abstandssensoren, eingesetzt werden. Die hier beschriebenen Differenzkondensatoren haben sich jedoch als besonders geeignet und sensitiv erwiesen.The present invention is not limited to the described embodiment. Modifications are possible within the scope defined by the claims. In particular, other sensors, especially distance sensors, can be used instead of the capacitive sensors described here. However, the differential capacitors described here have proven to be particularly suitable and sensitive.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- ZellmodulCell module
- 44
- ModulgehäuseModule housing
- 66
- Zellencells
- 6a6a
- fehlerhafte Zellefaulty cell
- 88
- Querrichtungtransverse direction
- 1010
- Seitenwändeside walls
- 1212
- Sensorsensor
- 1414
- erste Pfeilefirst arrows
- 1616
- GehäuseHousing
- 1818
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 2020
- MessanschlussMeasuring connection
- 2222
- BasiselektrodenBase electrodes
- 2424
- Messelektrodemeasuring electrode
- 2626
- dielektrische Lagedielectric layer
- 2828
- QuerverbindungsstückCross connector
- 3030
- Batteriebattery
- 3131
- AnschlusspolConnection pole
- 3232
- BatteriegehäuseBattery case
- 3434
- zentrale Auswerteeinheitcentral evaluation unit
- 3636
- MessanordnungMeasuring arrangement
- 3838
- zweite Pfeilesecond arrows
- dd
- Dickethickness
- aa
- AbstandDistance
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