DE102011120879A1

DE102011120879A1 - Batterie

Info

Publication number: DE102011120879A1
Application number: DE102011120879A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wolfgang (FH) Dürr
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie (3) umfassend eine Anzahl von Einzelzellen (3.1 bis 3.n). Dabei wird zumindest ein Reaktionsstoff in einem Inneren zumindest einer der Einzelzellen (3.1 bis 3.n) freigesetzt, wobei die Freisetzung des Reaktionsstoffes mittels einer Batterieüberwachungseinheit (4) ausgelost wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (2) zum Betrieb einer Batterie (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betrieb einer Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Batterien können unter starker Belastung oder bei Überlastung, im Schadensfall oder sogar im Normalbetrieb bei starker Erhitzung von außen in einen thermisch unkontrollierbaren Zustand geraten. Dabei können sie überhitzen, gefährliche Stoffe freisetzen oder in Brand geraten. Die Freisetzung gefährlicher Stoffe kann auch eine Folge von Alterung, z. B. Korrosion, sein.
Zur Lösung dieses Problems ist in der US 2010/0021801 A1 eine Vorrichtung mit einem Zentrierstift offenbart, wobei der Zentrierstift als Kern innerhalb eines Elektrodenwickels eines elektrochemischen Bauteils (Batterie) angeordnet ist, welches ein Gehäuse aufweist, das den Elektrodenwickel umfasst. Die Vorrichtung dient dabei der Sicherheit des Bauteils bei äußeren Einwirkungen auf dieses, wie z. B. Stoß, Druck, wenn die interne Temperatur steigt und/oder wenn das Bauteil überladen ist. Die Vorrichtung umfasst einen Zentrierstift, welcher durch Wickeln eines ebenen Substrats zu einem rohrförmigen Körper hergestellt wird. Das ebene Substrat weist dabei zumindest zwei durch Prägung geformte Vorsprünge oder zumindest zwei eckige Formen auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Behälter, welcher in eine Kavität des Zentrierstifts angeordnet ist, wobei der Behälter eine Substanz enthält, die der Sicherheit des Bauteils dient. Die Substanz ist ein Gas oder eine gaserzeugende Substanz. Der Behälter setzt dabei die Substanz z. B. in Abhängigkeit einer Temperatur und/oder eines Drucks innerhalb des elektrochemischen Bauteils frei, wodurch ein Druck innerhalb des Bauteils erhöht wird. Die Erhöhung des Drucks führt zu einer Aktivierung von Sicherheitsmitteln, welche daraufhin das Bauteil deaktivieren oder innerhalb kurzer Zeit weitestgehend normale Bedingungen innerhalb des Bauteils wiederherstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Betrieb einer Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Batterie umfassend eine Anzahl von Einzelzellen wird erfindungsgemäß ein Reaktionsstoff in einem Inneren zumindest einer der Einzelzellen freigesetzt, wobei die Freisetzung des Reaktionsstoffes mittels einer Batterieüberwachungseinheit ausgelöst wird.
Der Reaktionsstoff umfasst Substanzen, in dessen Abhängigkeit die Freisetzung des Reaktionsstoffes einen Spannungsabbau innerhalb der zumindest einen Einzelzelle oder eine Erhöhung eines Innenwiderstandes der zumindest einen Einzelzelle bewirkt. Beim Spannungsabbau wird die Einzelzelle langsam entladen, wobei die dadurch entstehende Energie als Wärme freigegeben wird. Bei der Erhöhung des Innenwiderstands der Einzelzelle wird diese hochohmig, so dass ein Stromfluss auch im Kurzschlussfall nur noch in entsprechend geringem Maße möglich ist.
Die Auslösung zur Freisetzung erfolgt dabei mittels der Batterieüberwachungseinheit, welche einen beschädigten und/oder überalterten Zustand der Batterie erkennt. Damit ist in besonders vorteilhafter Art und Weise eine Sicherheit der Batterie verbessert, da Batterien insbesondere im Schadensfall und/oder bei Überlagerung als potentiell gefährlich einzustufen sind. Diese Batterien können einen noch hohen elektrochemischen Energiegehalt (Ladezustand) aufweisen, so dass z. B. die Gefahr eines Kurzschlusses, Brands usw. besteht. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann diese Gefahr verringert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Betrieb einer Batterie.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der einzigen Figur ist ein Fahrzeug 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Betrieb einer Batterie 3 des Fahrzeugs 1 dargestellt. Die Vorrichtung 2 umfasst die Batterie 3 und eine Batterieüberwachungseinheit 4.
Bei der Batterie 3 handelt es sich um eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, eines Hybridfahrzeugs mit zumindest einer elektrisch betriebenen Antriebseinheit oder eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugs.
Der Aufbau einer solchen Batterie 3 besteht typischerweise aus einer Vielzahl von Einzelzellen 3.1 bis 3.n, welche in einem nicht näher gezeigten Batteriegehäuse angeordnet sind.
Aufgrund einer hohen Leistungs -und Energiedichte werden bevorzugt Einzelzellen 3.1 bis 3.n eingesetzt, welche eine Lithium-Ionen Zellchemie aufweisen. Alternativ dazu sind auch Nickelmetallhydridzellen verwendbar.
Die aktiven Massen einer Einzelzelle 3.1 bis 3.n sind auf den Elektrodenfolien, welche beispielsweise bei einer Lithium-Ionen-Zellchemie für einen Pol aus Aluminium oder einem aluminiumhaltigen Material und für einen anderen Pol aus Kupfer oder einem kupferhaltigen Material gebildet sind. Zwischen diesen Elektrodenfolien weist die Einzelzelle 3.1 bis 3.n eine poröse, saugfähige und für Ionen durchlässige Separatorlage auf. Ein entsprechender Elektrolyt besteht beispielsweise bei einer Lithium-Ionen-Zelle aus flüssigen oder gelartigen organischen Lösungsmitteln mit zugesetzten Lithium-Leitsalzen.
Bei den Einzelzellen 3.1 bis 3.n kann es sich um runde, prismatische oder sogenannte Pouchzellen handeln, mit gewickelten oder gestapelten Elektroden.
Alle Elektrodenfolien der Anode sind elektrisch leitend miteinander verbunden und in Abhängigkeit der Bauart der Einzelzellen 3.1 bis 3.n nach außen zu einem Anschlusspol geführt. In gleicher Weise ist der Kathodenanschluss gebildet und herausgeführt.
An den Anschlusspolen kann zusätzlich zu stromführenden Anschlüssen eine Zellspannungsmesseinheit für eine Zellspannungsmessung und einen daraus resultierenden Zellspannungsausgleich angeschlossen werden. Wie jede reale Spannungsquelle besitzt jede der Einzelzellen 3.1 bis 3.n einen Innenwiderstand.
Die derart ausgebildeten Einzelzellen 3.1 bis 3.n sind dabei elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltet und somit beispielsweise als zyklenfeste Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgeführt, die wieder aufladbar und somit mehrfach verwendbar sind.
Bei der Batterieüberwachungseinheit 4, welche im oder am Fahrzeug angeordnet ist, handelt es sich um ein Steuergerät, mittels dessen Parameter der Batterie 3 überwacht werden und die Batterie 3 geregelt wird. Durch eine entsprechende Ausführung einer elektronischen Verschaltung stehen der Batterieüberwachungseinheit 4 damit alle Einzelzellspannungen sowie Temperaturinformationen zur Auswertung zur Verfügung.
Durch eine Beschädigung der Batterie 3, beispielsweise nach einer Kollision des Fahrzeugs 1, ist es bisher möglich, die Batterie 3 nur von außen über Signale oder über das Unterbrechen von Signalen, ordnungsgemäß spannungsfrei zu schalten. Dies erfolgt beispielsweise mittels Ansteuerung von Schlitzen (Öffnen der Schütze). Schütze stellen hier elektromechanische Schalter (nicht dargestellt) dar, welche mit der Batterieüberwachungseinheit 4 gekoppelt sind, welche wiederum mit einer in und/oder an dem Fahrzeug 1 angeordneten Kollisionssensorik 6 gekoppelt ist. Spannungsfrei heißt in diesem Zusammenhang, dass der oder die Hochvoltanschlüsse (Steckverbindungen) der Batterie 3 spannungsfrei geschaltet sind, d. h. die daran angeschlossenen Hochvoltkomponenten sind spannungsfrei.
Die Batterie 3 kann allerdings in ihrem Inneren unter Hochvolt stehende Teile, Einzelzellen 3.1 bis 3.n, Verschaltungs-, Sensorikkomponenten usw. enthalten. So kann die Batterie 3 aufgrund eines hohen elektrochemischen Energieinhalts (Ladezustand), ihres brennbaren Elektrolytinhalts und in Verbindung mit möglicher Funken- oder Hitzebildung als potentiell gefährlich eingestuft werden. Es besteht beispielsweise die Gefahr innerer Kurzschlüsse mit Brandgefahr bei Erschütterungen und Lageveränderungen beim Ausbau und Transport, z. B. durch lose Teile, Leckage von Elektrolyt.
Ist eine Kommunikation mit der Batterie 3, z. B. über CAN-Bus, mit einem Diagnosegerät und/oder die Ankopplung eines Last- oder Entladegeräts nicht mehr möglich, so dass die Batterie 3 nicht mehr von außen gezielt entladen oder bezüglich ihres Energieinhaltes in einen deutlich sichereren Zustand gebracht werden kann, besteht z. B. die Gefahr eines Brands und/oder Explosion der Batterie 3.
Eine Gefahr kann auch von überlagerten, nicht mehr benutzten Batterien 3 ausgehen, z. B. Batterien 3 in künftigen zu verschrottenden Fahrzeugen, da die Selbstentladung sehr unterschiedlich erfolgt und/oder Leckagen von Elektrolyt im Inneren der Batterie 3 auftreten können.
Zur Lösung oben genannter Probleme umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zumindest ein Behältnis 5.1 bis 5.n, beinhaltend zumindest einer Reaktionsstoff, mittels dessen eine interne Spannung zumindest einer der Einzelzellen 3.1 bis 3.n abgebaut und/oder ein Innenwiderstand der zumindest einen Einzelzelle 3.1 bis 3.n erhöht wird.
Die Zuführung des Reaktionsstoffes in das Innere zumindest einer Einzelzelle 3.1 bis 3.n bewirkt eine Veränderung oder Störung des Elektrodenfolienstapels (aktives Material) und/oder der Separatoren der Einzelzelle 3.1 bis 3.n, wodurch abhängig vom Reaktionsstoff entweder eine Verringerung der internen Spannung oder eine Erhöhung des Innenwiderstands der zumindest einen Einzelzelle 3.1 bis 3.n erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die Zuführung des Reaktionsstoffes in jede der Einzelzellen 3.1 bis 3.n. Der Reaktionsstoff kann dabei Substanzen enthalten, die beispielsweise zur Erhöhung einer Viskosität des Elektrolyts führen, was eine Erhöhung des Innenwiderstands der Einzelzellen 3.1 bis 3.n zur Folge hat. Auch ist es möglich, dass der Reaktionsstoff ionische Salze enthält, dessen Anionen und Kationen zur Anode und zur Kathode der Einzelzellen 3.1 bis 3.n wandern und dort jeweils Reduktions- und Oxidationsprozesse hervorrufen. D. h., insbesondere die Kationen der ionischen Salze reagieren mit an der Anode gespeicherten Elektronen und reduzieren damit die Anzahl der dort gespeicherten Elektronen. Der Reaktionsstoff ist flüssig, gasförmig und/oder fest ausgebildet.
Beim Spannungsabbau innerhalb der Einzelzelle 3.1 bis 3.n wird diese soweit entladen, bis die Spannung einen unteren Grenzwert erreicht. Eine dadurch entstehende Energie wird als Wärme freigesetzt. Zur Ableitung dieser Wärme ist die Batterie 3 vorzugsweise an einen Kühlkreislauf angeschlossen.
Alternativ oder zusätzlich zur Kühlung kann das Batteriegehäuse auch permeabel ausgeführt sein, so dass die beim ausgelösten automatischen Entladen der Einzelzellen 3.1 bis 3.n entstehende Wärme mittels Konvektion aus dem Batteriegehäuse abführbar ist.
Bei der Erhöhung des Innenwiderstands sinkt laut des Ohmschen Gesetzes der Strom derart, dass, wenn die Einzelzellen 3.1 bis 3.n hochohmig sind und es beim Ausbau oder Transport der Batterie 3 z. B. zu einem Kurzschluss kommt, kein hoher Strom mehr fließt. Dadurch werden weitere Gefahren wie Hitzeentwicklung durch Kurzschluss und z. B. Brand vermindert. Jedoch ist es möglich, dass innerhalb der Batterie 3 weiterhin hohe berührgefährliche Spannungen vorhanden sind.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktionsstoff in zumindest einem Behältnis 5.1 bis 5.n innerhalb der Batterie 3 angeordnet, insbesondere ist zumindest ein Behältnis 5.1 bis 5.n innerhalb einer Einzelzelle 3.1 bis 3.n angeordnet. Vorzugsweise ist jeder Einzelzelle 3.1 bis 3.n ein Behältnis 5.1 zugeordnet.
Das Behältnis 5.1 bis 5.n ist besonders bevorzugt gezielt offenbar, z. B. durch Strom, Wärme, Druck und/oder Hochfrequenz. Dazu ist das Behältnis 5.1 bis 5.n beispielsweise aus einem Material gebildet, welches bei erhöhter Temperatur zu schmelzen beginnt (z. B. Polyproplylene mit einer Schmelztemperatur von 160°C) oder durch Ausdehnung oder partiellen Überdruck aufreißt. Die dazu notwendige Energie wird vorzugsweise durch die bereits in der Einzelzelle 3.1 bis 3.n gespeicherte Energie bereit gestellt.
Die Initiierung der äußeren Einwirkungen, welche ein Öffnen des Behältnisses 5.1 bis 5.n bewirken, erfolgt mittels der Batterieüberwachungseinheit 4, welche z. B. schwere mechanische Beschädigungen und/oder abnormale Lageveränderung der Batterie 3 (z. B. durch Überschlag des Fahrzeugs 1) erfasst und wie bereits oben beschrieben, Funktionsparameter der Batterie 3 ermittelt. Die Funktionsparameter der Batterie 3 beschreiben dabei einen Lade- und/oder Entladezustand und/oder ein Alter und/oder einen Beschädigungsgrad der Batterie 3 respektive der Einzelzellen 3.1 bis 3.n.
Zur unterstützenden Bewertung einer Auslösung zur Freisetzung des Reaktionsstoffs ist die Batterieüberwachungseinheit 4 besonders bevorzugt mit der Kollisionssensorik 6 und/oder zusätzlich mit einer Verformungssensorik 7 des Fahrzeugs 1 gekoppelt.
Darüber hinaus erkennt die Batterieüberwachungseinheit 4 einen Verbindungs- und/oder Drahtbruch der Einzelzellen 3.1 bis 3.n.
Zur bereits beschriebenen Initiierung der Zuführung des Reaktionsstoffes umfassen die Batterie 3 respektive die Einzelzellen 3.1 bis 3.n entsprechende Anschlüsse, z. B. Leitungen für Hochfrequenz-, Stromsignale oder Steuersignale, welche mit den Einzelzellen 3.1 bis 3.n gekoppelte Komponenten zur Druck- und/oder Wärmeerzeugung ansteuern. Diese Komponenten erzeugen Druck beziehungsweise Wärme, wodurch das gezielte Öffnen des Behältnisses 5.1 bis 5.n möglich ist.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Zuführung des Reaktionsstoffes von außen. D. h. der Reaktionsstoff wird von außen in das Innere zumindest einer der Einzelzellen 3.1 bis 3.n eingeführt. Vorzugsweise ist die Anzahl der Behältnisse 5.1 bis 5.n (gestrichelt dargestellt) korrespondierend zu der Anzahl der in der Batterie 3 angeordneten Einzelzellen 3.1 bis 3.n, so dass der Reaktionsstoff jeder der Einzelzellen 3.1 bis 3.n zugeführt werden kann.
Die Einzelzellen 3.1 bis 3.n weisen dazu entsprechende Anschlüsse auf, die mit den Behältnissen 5.1 bis 5.n derart korrespondieren, dass das Zufuhren des Reaktionsstoffes auf eine einfache Art und Weise erfolgt. Alternativ ist es auch möglich, den Reaktionsstoff in einem Behältnis 5.1 bis 5.n oder einer gegenüber der Anzahl der Einzelzellen 3.1 bis 3.n verringerten Anzahl von Behältnissen 5.1 bis 5.n anzuordnen. Das eine beziehungsweise die Behältnisse 5.1 bis 5.n sind dann einer bestimmten Anzahl von Einzelzellen 3.1 bis 3.n zugeordnet.
Die Initiierung erfolgt dabei wie bereits beschrieben mittels der Batterieüberwachungseinheit 4.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 wird die Batterie 3 des Fahrzeugs 1 oder zumindest einer der Einzelzellen 3.1 bis 3.n der Batterie 3 bei Beschädigung dieser automatisch entladen, so dass die Gefahr eines Brands der Batterie 3 o. ä. vermindert ist.
Besonders bevorzugt sind die Substanzen des Reaktionsstoffes abhängig von der im Inneren der Einzelzelle 3.1 bis 3.n angeordneten Zellchemie. Damit ist eine breite Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 möglich.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den Reaktionsstoff manuell zumindest einer der Einzelzellen 3.1 bis 3.n zuzuführen. Damit kann die Zufuhr des Reaktionsstoffs auch dann erfolgen, wenn diese aus dem Fahrzeug 1 entfernt ist.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Vorrichtung
3: Batterie
3.1 bis 3.n: Einzelzellen
4: Batterieüberwachungseinheit
5: Zuführungseinheit
5.1 bis 5.n: Behältnisse
6: Kollisionssensorik
7: Verformungssensorik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0021801 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Batterie (3) umfassend eine Anzahl von Einzelzellen (3.1 bis 3.n), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Reaktionsstoff in einem Inneren zumindest einer der Einzelzellen (3.1 bis 3.n) freigesetzt wird, wobei die Freisetzung des Reaktionsstoffes mittels einer Batterieüberwachungseinheit (4) ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass de Freisetzung des Reaktionsstoffes in Abhängigkeit mindestens einer Batterieüberwachungseinheit (4) ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Parameter mindestens ein Funktionsparameter zumindest einer der Einzelzellen (3.1 bis 3.n) und/oder mindestens ein Parameter zumindest einer Erfassungseinheit einer Kollisionssensorik (6) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Funktionsparameter wenigstens ein Lade- und/oder Entladezustand und/oder ein Alter und/oder einen Beschädigungsgrad der zumindest einen Einzelzelle (3.1 bis 3.n) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsstoff im Inneren der zumindest einen Einzelzelle (3.1 bis 3.n) zumindest in einem Behältnis (5.1 bis 5.n) angeordnet ist, wobei zur Freisetzung des Reaktionsstoffes das Behältnis (5.1 bis 5.n) geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsstoff außerhalb der zumindest einen Einzelzelle (3.1 bis 3.n) zumindest in einem Behältnis (5.1 bis 5.n) angeordnet ist, wobei der Reaktionsstoff aus dem Behältnis (5.1 bis 5.n) in das Innere der zumindest einen Einzelzelle (3.1 bis 3.n) eingeführt wird.
Vorrichtung (2) zum Betrieb einer Batterie (3) umfassend eine Anzahl von Einzelzellen (3.1 bis 3.n), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) mit einer Batterieüberwachungseinheit (4) gekoppelt ist, wobei zumindest ein Reaktionsstoff in einem Inneren zumindest einer der Einzelzellen (3.1 bis 3.n) freisetzbar ist und wobei die Freisetzung des Reaktionsstoffes mittels der Batterieüberwachungseinheit (4) auslösbar ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (3) eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges, eines Hybridfahrzeuges oder eines Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugs (1) ist.