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DE102009018079A1 - Verfahren zum Betrieb einer Batterie - Google Patents

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DE102009018079A1
DE102009018079A1 DE102009018079A DE102009018079A DE102009018079A1 DE 102009018079 A1 DE102009018079 A1 DE 102009018079A1 DE 102009018079 A DE102009018079 A DE 102009018079A DE 102009018079 A DE102009018079 A DE 102009018079A DE 102009018079 A1 DE102009018079 A1 DE 102009018079A1
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galvanic cell
battery
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galvanic
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Withdrawn
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DE102009018079A
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English (en)
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Claus-Rupert Dr. Hohenthanner
Andreas Dr. Gutsch
Tim Schäfer
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Li Tec Battery GmbH
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Li Tec Battery GmbH
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Abstract

Die zu Grunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle. Die wenigstens eine galvanische Zelle wird wenigstens zeitweise einer Untersuchung unterworfen, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von KFZ-Antrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Chemie der Batterie, deren Bauart oder unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Anwendung finden kann.
  • Aus dem Stand der Technik sind Batterien mit mehreren galvanischen Zellen zur Versorgung von KFZ-Antrieben bekannt. Einigen Bauarten ist gemein, dass sie die gespeicherte Energie unter Umständen unkontrolliert freigeben, insbesondere nach einer mindesten Betriebsdauer.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit einer Batterie auch nach einer mindesten Betriebsdauer weitgehend zu erhalten.
  • Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle. Die wenigstens eine galvanische Zelle wird wenigstens zeitweise einer Untersuchung unterworfen, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle. Die Untersuchung der wenigstens einen galvanischen Zelle erfolgt mit einem zerstörungsfreien Prüfverfahren, wobei wenigstens ein Prüfergebnis zur Verfügung gestellt wird. Das wenigstens eine Prüfergebnis wird anschließend mit wenigstens einem ersten Vergleichswert verknüpft.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einer Batterie eine Vorrichtung mit wenigstens einer galvanischen Zelle auch zur Versorgung eines Antriebs zu verstehen. Vorzugsweise weist die Batterie mehrere galvanische Zellen auf, welche miteinander elektrisch verschaltet sind. Vorzugsweise weist die Batterie weitere Einrichtungen auf, welche den ordentlichen Betrieb der wenigstens einen galvanischen Zelle unterstützen. Je nach Ausführung der wenigstens einen galvanischen Zelle ist die Batterie wiederaufladbar. Man spricht dann auch von einem Akkumulator bzw. einer Sekundärbatterie.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einer galvanischen Zelle eine Einrichtung zu verstehen, welche auch der Abgabe von elektrischer Energie dient. Die galvanische Zelle speichert die Energie in chemischer Form. Vor Abgabe eines elektrischen Stroms wird die chemische Energie gewandelt. Unter Umständen ist die galvanische Zelle auch geeignet, elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie zu wandeln und abzuspeichern. Auch zur Speicherung der Energie weist die galvanische Zelle wenigstens zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität, d. h. eine Anode und eine Kathode, und einen Elektrolyt auf. Vorzugsweise weist die galvanische Zelle weiter einen Separator auf, welcher zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität gegeneinander elektrisch isoliert und beabstandet. Vorzugsweise sind die Elektroden in einem Elektrodenstapel angeordnet. Vorzugsweise weist die galvanische Zelle eine Umhüllung auf, welche die Elektroden wenigstens teilweise umschließt. Vorzugsweise ist die Umhüllung mit einer Verbundfolie und/oder einem dünnwandigen Metall ausgebildet.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter Untersuchung ein Vorgang zu verstehen, bei dem auch ein Parameter, Zustand und/oder Übergang von einem ersten Zustand zu einem zweiten Zustand festgestellt wird. Vorzugsweise erfolgt eine Untersuchung bei Bedarf. Vorzugsweise liefert eine Untersuchung ein elektronisch verarbeitbares Ergebnis.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem Betriebszustand der Zustand einer Vorrichtung zu verstehen, wobei ein Zustand auch durch eine Reihe physikalischer Parameter beschrieben werden kann. Zur Bestimmung eines Betriebszustands wird bevorzugt wenigstens ein physikalischer Parameter der Vorrichtung bestimmt, besonders bevorzugt gemeinsam mit dem Zeitpunkt der Bestimmung. Die Art des wenigstens einen physikalischen Parameters ist so gewählt, dass dessen Kenntnis eine Aussage über den Zustand der Vorrichtung ermöglicht. Vorzugsweise wird ein Betriebszustand durch eine Mehrzahl gemessener physikalischer Parameter bestimmt. Es ist nicht unüblich, verschiedene Betriebszustände einer Vorrichtung in erwünschte, unerwünschte und gefährliche Betriebszustände einzuteilen.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem zerstörungsfreien Prüfverfahren ein Verfahren zur Untersuchung einer Vorrichtung zu verstehen. Unter einem zerstörungsfreien Prüfverfahren bewirkt auch, dass die geprüfte bzw. untersuchte Vorrichtung in ihrer Funktionsfähigkeit so wenig wie möglich beeinträchtigt wird, bevorzugt nicht beeinträchtigt wird. Bevorzugt wird das zerstörungsfreie Prüfverfahren während des Betriebs der wenigstens einen galvanischen Zelle durchgeführt. Vorzugsweise ist das angewendete zerstörungsfreie Prüfverfahren an den physikalischen Parameter angepasst, welcher ermittelt werden soll. Als besonders geeignet haben sich in der Praxis Schallemissionsprüfung, akustische Resonanzanalyse, Ultraschallprüfung, Sonographie, Thermographie, Dichtheitsprüfung, Vibrationsprüfung, Messungen der Geometrie, Messung der Rückstellung nach elastischer Verformung, Temperaturmessung, Wiegen, das Messen von elektrischem Strom und elektrischer Spannung auch unter Last erwiesen. Je nach Art der Vorrichtung bzw. deren Betrieb sind auch andere zerstörungsfreie Prüfverfahren geeignet.
  • Vorzugsweise werden mittels zerstörungsfreier Prüfung auch korrekte Überstände der Schichten des Elektrodenstapels, die mechanische Schädigung der Zellen, die Korrosion von Elektroden, das Verfärben bzw. Auflösen von Materialien festgestellt. Vorzugsweise wird der unverletzte Zustand der Umhüllung der galvanischen Zelle mittels zerstörungsfreier Prüfung festgestellt.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem Prüfergebnis das Ergebnis einer Untersuchung zu verstehen. Vorzugsweise ist liegt das Prüfergebnis in Form von Daten vor, welche besonders bevorzugt elektronisch verarbeitet werden können. Insbesondere führt eine Untersuchung zur einem Prüfergebnis, welches als elektrischer Strom bzw. als elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Insbesondere liegt ein Prüfergebnis als eine ablesbare, wenigstens eindimensionale Anzeige vor.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem Vergleichswert ein Wert zu einem insbesondere physikalischen Parameter zu verstehen, welcher mit einem bevorzugten Bereich dieses physikalischen Parameters bezüglich der wenigstens einen galvanischen Zelle in Zusammenhang steht. Vorzugsweise begrenzt der Vergleichswert den erwünschten Bereich eines physikalischen Parameters zu einer galvanischen Zelle bzw. der Batterie. Insbesondere steht ein Vergleichswert zu einem besonders bevorzugten Wert für einen physikalischen Parameter in Beziehung. Insbesondere ist der während des Betriebs einer galvanischen Zelle bzw. der Batterie mögliche Bereich zu einem physikalischen Parameter in mehrere Unterbereiche unterteilt. Unter diesen mehreren Unterbereichen sind auch solche, welche einen gewünschten oder unerwünschten Betriebszustand der galvanischen Zelle bzw. der Batterie charakterisieren. Bevorzugt ist wenigstens ein Vergleichswert, insbesondere dauerhaft abgespeichert. Zu einem Bereich eines physikalischen Parameters sind vorzugsweise mehrere Vergleichswerte abgespeichert. Nur beispielhaft werden nachfolgend Vergleichswerte anhand der Temperatur einer galvanischen Zelle beschrieben. So ist der gewünschte Bereich der Temperatur während des Betriebs durch eine obere und eine untere Grenze gekennzeichnet. Die Temperatur während des Betriebs kann unerwünscht auch außerhalb dieses bevorzugten Temperaturbereichs liegen. So sind als Vergleichswerte unterhalb der mindesten Betriebstemperatur eine Minimaltemperatur vorgesehen und oberhalb der oberen Betriebstemperatur eine maximale Temperatur. Mit Überschreiten eines der beiden letztgenannten Vergleichswerte wird die betroffene galvanische Zelle vorzugsweise abgeschaltet bzw. elektrisch isoliert. Zusätzlich können weitere, die Sicherheit der galvanischen Zelle erhöhende Maßnahmen ergriffen werden. Ähnliche Vergleichswerte werden erfindungsgemäß auch für weitere bedeutsame physikalische Parameter abgespeichert. Unter einem Vergleichswert ist im Sinne der Erfindung auch ein zeitlicher Verlauf zu verstehen.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter Verknüpfen eines Prüfergebnisses mit einem Vergleichswert zu verstehen, dass aus diesen Werten Differenzen und/oder Quotienten gebildet werden. Sofern als Prüfergebnis bzw. als Vergleichswert Verläufe vorliegen, umfassen Verknüpfungen vorzugsweise auch das Filtern, das Bilden von Mittelwerten, Verfahren zur Frequenzanalyse, das Bilden von Fehlerquadraten und das Extrapolieren.
  • Die zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle. Die Batterie weist wenigstens welche einen Elektrodenstapel mit wenigstens zwei flächigen Schichten auf, insbesondere wenigstens eine Anode, einen Separator und eine Kathode. Die wenigstens eine galvanische Zelle wird wenigstens von Zeit zu Zeit untersucht, insbesondere bei Vorliegen eines vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle. Mit der Untersuchung wird wenigstens ein Funktionsparameter zu wenigstens einer flächigen Schicht des Elektrodenstapels bestimmt. Anschließend wird der wenigstens eine Funktionsparameter mit wenigstens einem zweiten Vergleichswert verknüpft.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem Elektrodenstapel eine Einrichtung zu verstehen, welche auch der Speicherung von Energie in elektrochemischer Form dient. Ein Elektrodenstapel ist gekennzeichnet durch die enge räumliche Anordnung seiner Bestandteile bzw. Schichten. Vorzugsweise ist der Elektrodenstapel prismatisch ausgebildet. Vorliegend ist unter einem Elektrodenstapel die Anordnung wenigstens zweier Elektroden verschiedener Polarität und einem dazwischen angeordneten Elektrolyt zu verstehen. Die Schichten des Elektrodenstapels sind vorzugsweise flächig und dünnwandig und besonders bevorzugt biegeschlaff ausgebildet. Vorzugsweise ist ein Separator wenigstens teilweise zwischen zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität angeordnet. Vorzugsweise wiederholt sich diese Abfolge der Schichten innerhalb des Elektrodenstapels mehrfach. Bevorzugt sind einige Elektroden des Elektrodenstapels miteinander insbesondere elektrisch verbunden, insbesondere parallel geschaltet. Vorzugsweise sind die Schichten zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Nachfolgend wird der Begriff ”Elektrodenstapel” auch für Elektrodenwickel verwendet.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter Anode eine Einrichtung zu verstehen, welche beim Laden der zugehörigen galvanischen Zelle positiv geladene Ionen und Elektroden aufnimmt. Vorzugsweise ist die Anode dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Anode weniger als 5% ihrer größten Kantenlänge. Vorzugsweise weist die Anode eine Metallfolie oder eine metallische Netzstruktur auf. Vorzugsweise ist die Anode in Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Vorzugsweise ist die Anode beigeschlaff ausgebildet.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einer Kathode eine Einrichtung zu verstehen, welche beim Entladen der zugehörigen galvanischen Zelle bzw. während der Abgabe elektrischer Energie Elektroden und positiv geladene Ionen aufnimmt. Vorzugsweise ist die Kathode dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Kathode weniger als 5% ihrer größten Kantenlänge. Vorzugsweise weist die Kathode eine Metallfolie oder eine metallische Netzstruktur auf. Vorzugsweise entspricht die Gestalt einer Kathode im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenstapels. Die Kathode ist auch zur elektrochemischen Wechselwirkung mit der Anode bzw. dem Elektrolyt vorgesehen.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem Separator auch eine elektrisch isolierende Einrichtung zu verstehen, welche eine Anode von einer Kathode trennt und beabstandet. Vorzugsweise ist der Separator als Schicht auf einer benachbarten Anode und/oder einer Kathode aufgetragen. Der Separator nimmt auch einen Elektrolyt wenigstens teilweise auf, wobei der Elektrolyt vorzugsweise Lithium-Ionen enthält. Der Elektrolyt ist mit benachbarten Schichten des Elektrodenstapels elektrochemisch wirkverbunden. Vorzugsweise entspricht die Gestalt des Separators im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenstapels. Vorzugsweise ist ein Separator dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt als mikroporöse Folie. Vorzugsweise erstreckt sich der Separator wenigstens bereichsweise über eine Begrenzungskante wenigstens eine Elektrode. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Separator über sämtliche Begrenzungskanten benachbarter Elektroden hinaus.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem Funktionsparameter wenigstens eine Eigenschaft zu verstehen, welcher eine Aussage über den Betriebszustand einer zugehörigen galvanischen Zelle bzw. einer flächigen Schicht des Elektrodenstapels zulässt. Vorzugsweise dienen mehrere Funktionsparameter gemeinsam zur Beschreibung des Zustands einer flächigen Schicht des Elektrodenstapels. Bevorzugt werden insbesondere für den Zustand einer Schicht des Elektrodenstapels bedeutsame Eigenschaften mit Erfassung eines aussagekräftigen, zugehörigen physikalischen Parameters untersucht. Insbesondere werden als Funktionsparameter die mechanische Stabilität der Elektroden, insbesondere der Kupferkollektoren, die Anwesenheit von Fremdpartikeln auch aus der Produktion, die Bildung von Metalldendriten, insbesondere von Kupfer und/oder Lithium, Verfärbungen der Elektroden, chemische Zusammensetzung der Elektroden, der Gehalt bestimmter Ionen, die Korrosion der Elektroden bzw. stromführende Schichten des Elektrodenstapels, der Gehalt von HF und H20 verstanden. Vorzugsweise werden zu den einzelnen Schichten des Elektrodenstapels chemische bzw. physikalische Eigenschaften ermittelt.
  • Im Sinne der Erfindung ist unter einem zweiten Vergleichswert ein bedeutsamer Wert zu einem Funktionsparameter zu verstehen.
  • Erfindungsgemäß wird die wenigstens eine galvanische Zelle bzw. deren Bestandteile, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand untersucht. Unter vorbestimmten Betriebszuständen sind im Sinne der Erfindung auch unterschiedliche Zeitpunkte während des Bestehens einer galvanischen Zelle bzw. einer Batterie zu verstehen. Bevorzugt wird die galvanische Zelle bzw. deren Bestandteile bereits während der Herstellung, insbesondere während oder nach ausgewählten Produktionsabläufen untersucht. Bevorzugt werden solche Prüfergebnisse abgespeichert. Bevorzugt wird eine galvanische Zelle bzw. deren Bestandteil auch nach längerer Lagerung vor der Auslieferung und in regelmäßigen Abständen während des Betriebs der galvanischen Zelle bzw. der Batterie untersucht. Dabei werden die Prüfergebnisse abgespeichert.
  • Während des Betriebs ist eine galvanische Zelle Lade- und Entladevorgängen, Belastungen aus hohen elektrischen Strömen, Überhitzung oder Unterkühlung, Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Diese Belastungen führen auch zu fortschreitender Alterung der galvanischen Zelle. Mit Durchführung der wiederholten Untersuchungen einer galvanischen Zelle bzw. deren Bestandteilen kann frühzeitig eine beginnende und/oder beschleunigte Alterung bzw. Schädigung einer galvanischen Zelle erkannt werden. Mit Erkennen einer beginnenden und/oder fortgeschrittenen Schädigung können Maßnahmen zur Erhaltung der Betriebssicherheit der galvanischen Zelle ergriffen werden. Insbesondere kann ein beginnendes Versagen der elektrischen Isolation zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität erkannt werden. Auf diese Weise kann ein drohender Kurzschluss im Elektrodenstapel der galvanischen Zelle frühzeitig erkannt werden. So kann auch der Neigung der galvanischen Zelle zur Entzündung infolge unzureichender elektrischer Isolierung innerhalb des Elektrodenstapels begegnet werden. So wird die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
  • Nachfolgend werden zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
  • Vorteilhaft folgt die Untersuchung der wenigstens einen galvanischen Zelle unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung. Dazu wird die zu untersuchende galvanische Zelle entlang wenigstens eines Richtungsvektors elektromagnetisch bestrahlt. Bevorzugt weist die elektromagnetische Strahlung Wellenlängen unter 10 m, besonders bevorzugt unter 10–4 m auf. Vorzugsweise ist die Wellenlänge geringer als 10–12 m, sodass die elektromagnetische Strahlung eher den Charakter von Teilchen hat. Nach der Wechselwirkung mit der galvanischen Zelle wird die elektromagnetische Strahlung unter einem für die Wellenlänge und die Geometrie bzw. Werkstoffe der galvanischen Zelle typischen Ausfallwinkel von einem Detektor aufgefangen. Dabei ist auch der Detektor an die Wellenlänge der zu empfangenden elektromagnetischen Strahlung angepasst. So kommen als Detektoren verschiedene technische Einrichtungen aber auch das unbewaffnete Auge in Betracht. Insbesondere kann die elektromagnetische Strahlung mit Einrichtungen zur Strahlführung gelenkt werden. Solche Einrichtungen umfassen auch solche, welche die elektromagnetische Strahlung bündeln, zerstreuen, abschirmen, ablenken und/oder reflektieren können. Vorzugsweise liefert der Detektor ein elektronisch verarbeitbares Signal. In der Praxis haben sich insbesondere Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung aber auch Partikelstrahlen (Alpha-Strahlung, Beta-Minus-Strahlung, Beta-Plus-Strahlung) als dienlich erwiesen. Vorzugsweise wird die wenigstens eine galvanische Zelle auch mittels Computertomographie bzw. Magnetresonanztomographie untersucht. Vorzugsweise erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung der wenigstens einen galvanischen Zelle entlang verschiedener Richtungsvektoren. Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei dieser Richtungsvektoren zueinander rechtwinklig. Vorzugsweise werden die Ergebnisse von Untersuchungen mit elektromagnetischer Strahlung entlang wenigstens zwei verschiedener Richtungsvektoren miteinander insbesondere rechnerisch verknüpft. Bevorzugt erfolgt die elektromagnetische Bestrahlung pulsartig bzw. mit zeitlich veränderlicher Intensität. Vorzugsweise dringt die elektromagnetische Strahlung durch die Umhüllung und gibt Aufschluss über deren Inhalt, insbesondere die Schichten des Elektrodenstapels. Vorzugsweise wird die galvanische Zelle wenigstens teilweise von der elektromagnetischen Strahlung erwärmt bzw. durchstrahlt.
  • Vorteilhaft werden die Untersuchungsergebnisse gemeinsam mit dem Zeitpunkt der jeweiligen Untersuchung abgespeichert. Aus diesen abgespeicherten Daten wird vorzugsweise bei Bedarf ein Verlaufsprotokoll angefertigt. Dieses Verlaufsprotokoll unterstützt insbesondere den Vorgang der Weiterentwicklung einer galvanischen Zelle bezüglich der verwendeten Materialien und der Herstellprozesse.
  • Vorteilhaft werden die Ergebnisse der Untersuchungen gemeinsam mit einer Kennung der untersuchten galvanischen Zelle einer Batterie abgespeichert. So entsteht bevorzugt ein zellspezifischer Verlaufsprotokoll, welches bei Bedarf auch zur Verbesserung der Ausführung einer galvanischen Zelle dient. Vorzugsweise werden im Rahmen von Wartungsarbeiten die abgespeicherten Daten ausgelesen und dem Hersteller übermittelt.
  • Vorteilhaft wird die wenigstens eine galvanische Zelle zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere mit einem vorgegebenen zeitlichen Abstand, untersucht. Vorzugsweise werden diese Untersuchungen unter Berücksichtigung der Zeitfortschritts so ausgewertet, dass eine beginnende und/oder fortschreitende Alterung bzw. Schädigung der galvanischen Zelle festgestellt und erkannt wird. Mit Verwendung einer vorgegebenen Rechenvorschrift wird vorzugsweise ein künftiger zeitlicher Verlauf des betreffenden Untersuchungsergebnisses vorhergesagt. Vorzugsweise wird bei Vorliegen eines vorgegebenen tatsächlichen und/oder vorhergesagten Verlaufs eines physikalischen Parameters eine warnende Meldung abgesetzt. Diese wird bevorzugt einem Benutzer des Kraftfahrzeugs und/oder Wartungspersonal angezeigt. Bevorzugt erfolgt die insbesondere rechnergestützte Auswertung hinsichtlich chemischer und/oder physikalischer Daten der zu prüfenden galvanischen Zelle. Solche chemischen und/oder physikalischen Daten sind insbesondere:
    • • Kalligraphie, d. h. korrekte Anordnung sowie Überstände zwischen Elektroden (Anoden/Kathode) und Separator bzw. Separatoren, insbesondere bei gestapelter Anordnung;
    • • chemische und/oder physikalische Stabilität der Kollektoren, insbesondere von Kupfer-Kollektoren;
    • • produktionsbedingter Einschluss von Fremdpartikeln und/oder vorhandene Fehlstellen in Materialien und Werkstoffen;
    • • Bildung bzw. Ausbildung von Kupfer-Dendriten;
    • • Bildung bzw. Ausbildung von Lithium-Dendriten;
    • • mechanische und/oder thermische Schädigung bzw. Beschädigung, einschließlich Verfärbungen, der zu prüfenden galvanische Zelle oder einzelner Elemente und/oder Komponenten, wie insbesondere einzelne Schichten des Elektrodenstapels; ein besonderer Aspekt liegt hier z. B. auf der Inspektion von keramischen Separatoren, insbesondere hinsichtlich mechanischer Beschädigungen wie Risse und Brüche;
    • • chemische Zusammensetzung der Elektroden und/oder der Separatoren;
    • • Dichte der Elektroden und/oder Separatoren, ggf. auch des Elektrolyts;
    • • Ionengehalt, insbesondere des Elektrolyts;
    • • Auslösungs- und/oder Auflösungserscheinungen von Materialen und Werkstoffen;
    • • Korrosion von Ableitern (Kontaktelemente) und/oder der Umhüllung, ggf. auch des Gehäuses; und
    • • HF-Gehalt bzw. -Konzentration (Fluorwasserstoffsäure) und H20-Gehalt bzw. -Konzentration.
  • Weiterhin können kritische Zustände einer Degradation erfasst werden, wie insbesondere:
    • • beginnende Lithium-Abscheidung auf Kohlenstoff-Komponenten;
    • • beginnende Elektrolytzersetzung; und
    • • beginnende oder komplette Delithiation einer Kathode.
  • Zudem können elektrische Kurzschlüsse verschiedenster Art erfasst werden.
  • Vorteilhaft wird ein Untersuchungsergebnis einer mit der Herstellung bzw. der galvanischen Zelle betrauten Person, Wartungspersonal und/oder einem Benutzer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bildhaft dargestellt. Vorzugsweise wird das wenigstens eine Untersuchungsergebnis, d. h. ein Prüfergebnis, ein Funktionsparameter oder ein physikalischer Parameter, bildhaft in Bezug zu einem Vergleichswert und/oder einem erwünschten Zustand angezeigt. Bevorzugt erfolgt die bildhafte Darstellung auf einem Bildschirm bzw. Monitor. Bevorzugt werden dabei Grenzwerte, erwünschte Verläufe, erwünschte Geometrien angezeigt. Bevorzugt wird insbesondere das wenigstens eine Untersuchungsergebnis aus einer zerstörungsfreien Prüfung unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung bildhaft dargestellt. Vorteilhaft gewinnt die betrachtende Person binnen kurzer Zeit einen Eindruck vom Zustand der wenigstens einen galvanischen Zelle. Bevorzugt wird an der zu prüfenden galvanische Zelle eine auf der Untersuchung basierende automatisierte Fehleranalyse durchgeführt. Diese automatisierte Fehleranalyse erfolgt bevorzugt rechnergestützt, z. B. aufgrund abgespeicherter Rechenvorschriften, die insbesondere zulässige Sicherheitsbetriebsfenster abbilden. Werden chemisch und/oder physikalisch kritische Daten bzw. Werte erkannt, die auf kritischen und/oder gefährlichen Betriebszuständen der zu prüfenden galvanischen Zelle hinweisen könnten, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben, um eine zukünftige Schädigung zu vermeiden und die Sicherheit zu gewährleisten. Vorzugsweise gibt eine untersuchende Person eine galvanische Zelle nach der Untersuchung mit einer Quittierung frei. Vorzugsweise wird die Fehlermeldung und/oder die Quittierung abgespeichert, besonders bevorzugt mit einem Wert, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Untersuchung und/oder für die untersuchende Person ist.
  • Vorteilhaft wird die wenigstens eine galvanische Zelle insbesondere bei fortgeschrittener Alterung und/oder beginnendem Versagen insbesondere der elektrischen Isolation zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität des Elektrodenstapels der Batterie entnommen. Vorzugsweise wird die betreffende galvanische Zelle durch eine weniger gefährdende galvanische Zelle ersetzt. Vorzugsweise wird eine zu entnehmende galvanische Zelle im Rahmen von Wartungsarbeiten entnommen. Vorzugsweise wird eine zu entnehmende galvanische Zelle vor der Entnahme elektrisch isoliert. Vorzugsweise wird eine zu entnehmende galvanische Zelle vor der Entnahme entladen.
  • Vorteilhaft sind der Batterie weitere Einrichtungen zugeordnet, welche die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unterstützen. Vorzugsweise dient die wenigstens eine Messeinrichtung auch zur Erfassung wenigstens eines Funktionsparameters bzw. eines physikalischen Parameters, welcher Aufschluss über den Zustand der wenigstens einen galvanischen Zelle gibt. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Messeinrichtung bei Bedarf von der Steuereinrichtung zur Erfassung eines Messwertes angesteuert. Vorzugsweise stellt die wenigstens eine Messeinrichtung der Steuereinrichtung einen Messwert zur Verfügung. Vorzugsweise weist eine Messeinrichtung mehrere Messfühler auf, welche insbesondere verschiedenen galvanischen Zellen zugeordnet sind. Vorzugsweise sind in der Speichereinrichtung Daten betreffend Messwerte und zeitliche Verläufe von Messwerten, insbesondere zur Erstellung eines Verlaufsprotokolls abgespeichert. Vorzugsweise weist die wenigstens eine Messeinrichtung einen Detektor für elektromagnetische Strahlung, insbesondere für Röntgenstrahlen, Infrarotstrahlen auf. Vorzugsweise weist die wenigstens eine Messeinrichtung einen Detektor für Schallwellen, insbesondere für Ultraschallwellen auf.
  • Vorzugsweise ist der Elektrodenstapel der wenigstens einen galvanischen Zelle mit einem Separator ausgebildet, welcher aus einem stoffdurchlässigen Träger besteht, vorzugsweise teilweise stoffdurchlässig, also im Wesentlichen durchlässig in Bezug auf zumindest ein Material und im Wesentlichen undurchlässig in Bezug auf zumindest ein anderes Material. Der Träger ist auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET), ist mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist. Das anorganische, ionenleitende Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, Al, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen ”Separion” von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
  • Bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Betrieb des Verfahrens dem versorgten Antrieb und/oder dem Kraftfahrzeug zugeordnet. So ist die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere auch während der Benutzung des versorgten Antriebs möglich. Bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Betrieb des Verfahrens an einem Ort installiert, an dem Wartungsarbeiten Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt:
  • 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Prinzipskizze; und
  • 2 vier verschiedene Aufnahmen einer zu prüfenden Batterie die auf einer Röntgentechnologie basieren.
  • 1 zeigt eine insgesamt mit 1 bezeichnete Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Galvanische Zellen. Eine zu prüfender Galvanische Zelle ist mit 2 bezeichnet. Je nach Ausführung kann die Vorrichtung 1 einen einzelnen Galvanische Zelle 2 oder eine Vielzahl von Galvanische Zellen 2 prüfen bzw. überprüfen.
  • Die Prüfvorrichtung 1 umfasst eine Strahlenquelle 3. Alternativ kann die Prüfvorrichtung 1 auch eine Vielzahl von Strahlenquellen 3 umfassen, die in verschiedenen Positionen um die zu prüfende Galvanische Zelle 2 angeordnet sind. Bei der Strahlenquelle 3 handelt es sich beispielhaft um einen Röntgenstrahler. Diese Strahlenquelle 3 sendet Strahlen 4 aus, wobei es sich beispielhaft um Röntgenstrahlen handelt, welche die zu prüfenden Galvanische Zelle 2 durchdringen und von einem Sensor 5 erfasst werden, wobei es sich beispielhaft um einen Röntgensensor handelt. Die Strahlen 4 sind insbesondere zueinander parallel orientiert.
  • Je nach Art der Strahlenquelle 3 durchdringen die von dieser Strahlenquelle 3 ausgesandten Strahlen 4 die zu prüfende galvanische Zelle 2 und/oder an dieser bzw. in dieser reflektiert oder zumindest teilweise reflektiert werden. Das Bezugszeichen 4a bezeichnet reflektierte Strahlen, die von entsprechenden Sensoren 6a und 6b erfasst werden.
  • Zur Steuerung der Strahlenquelle 3 und zur Verarbeitung der Sensorsignale der Sensoren 5, 6a und 6b ist ein Rechner 7 umfasst. Dieser berechnet aus den Sensorsignalen ein Bild, eine Abfolge von Bildern zur Darstellung des mit dem bloßen Auge nicht sichtbaren Inneren der zu prüfenden galvanischen Zelle 2. Dieses Ergebnis kann auf einem Monitor 8 angezeigt werden, auf dem eine geschulte Fachkraft die zu prüfenden galvanische Zelle 2 unter verschiedenen Gesichtspunkten untersuchen und das Untersuchungsergebnis bewerten kann.
  • Mittels des Rechners 7 kann zudem eine automatisierte Fehleranalyse durchgeführt werden. Diese automatisierte Fehleranalyse erfolgt z. B. anhand softwaremäßig hinterlegter Algorithmen oder z. B. auch durch einen Bildabgleich mit hinterlegten Ideal- oder Soll-Bildern. Wird an dem zu prüfenden Galvanische Zelle ein Fehlerzustand oder ein sonstiger kritischer Zustand erkannt, so kann auf dem Monitor 8 eine Fehleranzeige erfolgen, wobei dann auch der konkret erkannte Fehler ausgegeben werden kann. Dadurch wird ermöglicht, dass die zu prüfende galvanische Zelle 2 ausgesondert, ausgetauscht oder repariert werden kann.
  • Darüber hinaus können mittels des Rechners 7 auch weitere relevante Daten der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 bestimmt werden, wie insbesondere eine Restlebensdauer oder verschiedene Leistungswerte. Auch diese Daten können auf dem Monitor 8 ausgegeben werden.
  • Abweichend zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Prüfvorrichtung 1 auch mehrere Strahlenquellen 3 unterschiedlicher Art umfassen. So kann z. B. ein Röntgenstrahler mit einer Ultraschallstrahlenquelle kombiniert werden. In diesem Fall sind ebenfalls entsprechende Sensoren vorzusehen.
  • Ferner besteht die Möglichkeit, eine Selbststrahlung der zu prüfenden galvanischen Zelle 2, z. B. eine thermische Strahlung oder ein Magnetfeld, mit entsprechenden Sensoren zu erfassen und mittels des Rechners 7 auszuwerten. In diesem Fall wäre eine Strahlenquelle 3 nicht zwangsläufig erforderlich. Eine solche Selbststrahlung der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 kann zudem bei der oben erläuterten Ausführungsform ergänzend erfasst werden.
  • 2 zeigt vier verschiedene Aufnahmen bzw. Bilder a bis d einer zu prüfenden galvanischen Zelle 2, die auf einer Prüfvorrichtung 1 gemäß der 1 basierend auf einer Röntgentechnologie aufgenommen wurden. Die Bilder zeigen einen Elektrodenstapel (vgl. hierzu obige Ausführungen), bei dem die Elektroden und Separatoren als Stapelblätter ausgebildet, gruppiert und umhüllt, und zu einem Stapel zusammengefasst sind.
  • Auf den dargestellten Bildern kann die korrekte Anordnung der Elektroden und Separatoren der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 überprüft werden, was z. B. manuell durch eine geschulte Fachkraft erfolgt. Hierzu besteht die Möglichkeit einer Vermessung der Bilder am Montitor 8, wozu z. B. spezielle Werkzeuge zur Verfügung stehen.
  • Teilfigur a zeigt einen zweidimensionalen Fluchtungsfehler (x, y) einer Anode relativ zu einer Kathode, die bei einer korrekten Anordnung in Stapelrichtung fluchten, d. h. im wesentlichen exakt aufeinander liegen sollten, wie dies in Teilfigur b gezeigt ist. Ein solcher Fluchtungsfehler kann einen Leistungswert der zu prüfenden galvanischen Zelle deutlich verschlechtern und zudem ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen.
  • Teilfigur c zeigt eine Verkippung des Stapels aus Elektroden und Separatoren, was mit einem Pfeil angezeigt ist. Eine solche Verkippung kann ebenfalls einen Leistungswert der zu prüfenden galvanische Zelle deutlich verschlechtern und stellt zudem ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
  • Teilfigur d zeigt die aufgenommene Ausrichtung einer Oberschicht.
  • Solche Aufnahmen bzw. Bilder lassen sich selbstverständlich auch bei rundzylindrischen Wickelzellen oder Zellen mit einer sonstigen Zellgestalt erstellen, wobei hier ggf. andere Anordnungskriterien zu überprüfen sind.
  • Die Erfindung lässt sich insbesondere anwenden bei galvanischen Zellen mit Blei, Nickel-Metallhydrid, Lithium, Lithium-Ionen. Bevorzugt ist die Anwendung bei Lithium-Ionen-Zellen vorgesehen, insbesondere im Kfz-Bereich.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die zu prüfende galvanische Zelle 2 in verschiedenen Betriebszuständen zu bestrahlen bzw. zu durchstrahlen. Hierbei können chemische und/oder physikalische Daten der zu prüfenden galvanischen Zelle 2 erfasst und überprüft werden, die möglicherweise nur im jeweiligen Betriebszustand auftreten und möglicherweise anderweitig nicht oder nur bedingt erfassbar sind. Die erfassten Daten können dann z. B. auf mögliche fehlerbedingte Überhitzungsprobleme hinweisen, die z. B. einen so genannten „thermal runaway” auslösen könnten. Unter einem „thermal runaway” wird ein selbstverstärkender Temperaturanstieg der galvanischen Zelle 2 verstanden, der bis zur Selbstentzündung und ggf. zur Explosion der galvanischen Zelle 2 führen kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle, wobei die wenigstens eine galvanische Zelle wenigstens zeitweise einer Untersuchung unterworfen wird, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der wenigstens einen galvanischen Zelle mit einem zerstörungsfreien Prüfverfahren erfolgt, dass mit der Untersuchung wenigstens ein Prüfergebnis ermittelt wird, und dass das wenigstens eine Prüfergebnis mit wenigstens einem ersten Vergleichswert verknüpft wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine galvanische Zelle während der Untersuchung unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung erfolgt, wobei die wenigstens eine galvanische Zelle in wenigstens einer Richtung bestrahlt wird.
  3. Verfahren zum Betrieb einer Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle, welche einen Elektrodenstapel mit wenigstens zwei flächigen Schichten aufweist, insbesondere wenigstens eine Anode, einen Separator und eine Kathode, wobei die wenigstens eine galvanische Zelle wenigstens zeitweise untersucht wird, insbesondere bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Batterie bzw. der galvanischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Untersuchung wenigstens ein Funktionsparameter zu wenigstens einer flächigen Schicht des Elektrodenstapels bestimmt wird, und dass der wenigstens eine Funktionsparameter mit wenigstens einem zweiten Vergleichswert verknüpft wird.
  4. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Prüfergebnis und/oder der wenigstens eine Funktionsparameter gemeinsam mit einem Wert abgespeichert wird, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Untersuchung ist.
  5. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Prüfergebnis und/oder der wenigstens eine Funktionsparameter gemeinsam mit einem Wert abgespeichert wird, welcher repräsentativ für die untersuchte galvanische Zelle der Batterie ist.
  6. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine galvanische Zelle einer ersten Untersuchung und insbesondere mit einem vorbestimmten zeitlichen Abstand wenigstens einer zweiten Untersuchung unterworfen wird, und dass wenigstens ein Prüfergebnis bzw. wenigstens ein Funktionsparameter der wenigstens zwei Untersuchungen miteinander verknüpft werden (Vergleich und Prognose und Meldung).
  7. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Prüfergebnis bzw. der wenigstens eine Funktionsparameter bildhaft dargestellt wird.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine galvanische Zelle bei vorbestimmten Bedingungen der Batterie entnommen wird.
  9. Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle, welche einen Elektrodenstapel aufweist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie wenigstens zugeordnet sind: eine Messeinrichtung, welche vorgesehen ist, bei vorbestimmten Bedingungen wenigstens einen Messwert zu der wenigstens einen galvanischen Zelle bzw. deren Elektrodenstapel zu erfassen, eine Speichereinrichtung, welche vorgesehen ist, wenigstens einen Messwert abzuspeichern, insbesondere gemeinsam mit einem Wert, welcher repräsentativ für den Zeitpunkt der Messung ist, und/oder eine Steuereinrichtung, welche vorgesehen ist, die wenigstens eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Messwertes anzusteuern.
  10. Batterie gemäß Anspruch 9, wobei der Elektrodenstapel wenigstens einen Separator aufweist, zur Durchführung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator der wenigstens einen galvanischen Zelle bevorzugt aus einem stoffdurchlässigen Träger besteht, vorzugsweise teilweise stoffdurchlässig, also im Wesentlichen durchlässig in Bezug auf zumindest ein Material und im Wesentlichen undurchlässig in Bezug auf zumindest ein anderes Material, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet ist, wobei als stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET) aufweist, wobei das organische Material mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet ist, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von –40°C bis 200°C ionenleitend ist, wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate wenigstens eines der Elemente Zr, Al, Li ist, insbesondere Zirkonoxid und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist.
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