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WO2024170314A1 - Storage unit for electrical energy with at least one battery cell and a sensor for measuring the cell swelling, and method for producing the storage unit for electrical energy - Google Patents

Storage unit for electrical energy with at least one battery cell and a sensor for measuring the cell swelling, and method for producing the storage unit for electrical energy Download PDF

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Publication number
WO2024170314A1
WO2024170314A1 PCT/EP2024/052730 EP2024052730W WO2024170314A1 WO 2024170314 A1 WO2024170314 A1 WO 2024170314A1 EP 2024052730 W EP2024052730 W EP 2024052730W WO 2024170314 A1 WO2024170314 A1 WO 2024170314A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery cell
sensor
battery
cell
behavior
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2024/052730
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jörg Hoffmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Truck and Bus SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE filed Critical MAN Truck and Bus SE
Publication of WO2024170314A1 publication Critical patent/WO2024170314A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B60L50/64Constructional details of batteries specially adapted for electric vehicles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/0481Compression means other than compression means for stacks of electrodes and separators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/20Pressure-sensitive devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/209Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for prismatic or rectangular cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/249Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for aircraft or vehicles, e.g. cars or trains

Definitions

  • Storage device for electrical energy with at least one battery cell and a sensor for detecting cell swelling as well as a method for producing the storage device for electrical energy
  • the invention relates to a storage device for electrical energy, comprising at least one battery cell and a sensor for detecting a threshold behavior of a battery cell.
  • the invention further relates to a method for producing such a storage device for electrical energy.
  • the electrical energy storage device can be a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle.
  • the battery modules used in vehicles are usually made up of several battery cells.
  • lithium-ion cells have become particularly established because they have a high energy density and can simultaneously provide a comparatively high level of power.
  • other battery types such as nickel-cadmium or nickel-metal hybrid (NiMH) batteries are also used.
  • the battery cell As the battery cell ages, various properties of the battery cell change, such as the internal resistance, the maximum available charging capacity, or the currents flowing inside the battery cell. On the one hand, this reduces the performance of the battery cell available for use. On the other hand, the state of age is of crucial importance for the safety assessment of the battery cell, since some state variables that are subject to age-related changes may only be operated within certain limits, otherwise safety risks, such as the risk of fire, increase significantly.
  • Such battery cells expand during the charging process due to, among other things, changes in the lattice structure of the active layers (electrodes) and due to thermal effects, which leads to an increase in the volume of the cell.
  • this increase in volume decreases again, except for a small irreversible portion.
  • the irreversible portion of the increase in volume is referred to as swelling, the reversible portion as breathing.
  • the extent of the swelling is an indicator of the aging state of health (SoH) of the cells.
  • SoH state of health
  • the invention is therefore based on the object of providing an improved technology for providing such battery modules.
  • the battery modules are intended in particular to enable more cost-effective and simplified monitoring of the swelling behavior and the aging state of one or more battery cells of the battery module.
  • the swelling behavior of a battery cell exhibits a high degree of inhomogeneity across the cell surface of the battery cell. Certain sections of a cell surface exhibit significantly greater swelling than other sections. Local maxima, so-called hotspots, of swelling often form on certain cells, which are characterized, for example, by a local maximum surface pressure compared to other sections of the cell surface. Accordingly, not all locations on the battery cells are suitable and/or equally suitable for monitoring an aging state based on the swelling behavior.
  • the invention takes advantage of this by determining the swelling behavior for a specific cell type during and/or after cycling in a spatially resolved manner, e.g. as part of a test measurement during development.
  • the location (position) on the battery cell is determined which has a swelling behavior based on which the aging state, in particular an EoL state (“EoL”: English for End of Life) of the battery cell, can be determined and monitored particularly reliably.
  • This location (position) determined in this way is selected as the sensor target position in order to arrange a sensor there to monitor the swelling behavior when subsequently storage devices for electrical energy, e.g. battery modules, with battery cells of the same type or with battery cells for which the previously spatially resolved distribution of the swelling behavior is also valid, are manufactured.
  • the storage device for electrical energy comprises several battery cells
  • all battery cells of the storage device it is possible for all battery cells of the storage device to be equipped with such a sensor or only some of the battery cells. Only one of the battery cells can also be equipped with such a sensor in order to monitor the entire storage device or all battery cells.
  • the battery cell used is representative of the aging behavior of all battery cells in the storage system. Accordingly, only a (small) part of the battery cell, preferably a part of the cell wall, needs to be monitored with regard to the threshold behavior using a sensor.
  • the sensor can be designed to be compact and inexpensive. In the simplest case, it may be sufficient to simply exceed the threshold at one point on the battery cell.
  • a method of manufacturing a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle is provided.
  • the method comprises the step of determining a spatially resolved distribution of a swelling behavior, i.e. the swelling behavior, of a battery cell during and/or at the end of a cycling of the battery cell.
  • the battery cell based on which the spatially resolved distribution of the swelling behavior is determined, is referred to below as the first battery cell to better distinguish it from other battery cells described below, which are referred to as second battery cells.
  • Cycling refers to the repeated charging and discharging of battery cells and is, for example, an important component in the development and testing of battery cells.
  • the cyclization is carried out in such a way that it causes aging in the first battery cell that is as similar as possible to that expected in the real operation of an energy storage device that comprises at least one battery cell of the same or similar design.
  • This can be achieved, for example, by selecting values for operating parameters that influence cell aging during cyclization that are similar to those that occur in a future target application.
  • Such operating parameters include, for example, a depth of discharge, i.e. the distance between a minimum and a maximum state of charge, a flowing current strength, C rates, cell temperatures and a stress situation of the battery cell during cyclization.
  • the battery cell is a prismatic battery cell or a pouch cell.
  • the battery cell is a battery cell that expands due to at least one charging and/or discharging process, and can therefore change its state from a non-expanded state to an expanded state and vice versa.
  • the swelling behavior describes the irreversible part of the volume increase.
  • the swelling behavior of the battery cell varies for different locations on the battery cell.
  • the Determining the spatially resolved distribution therefore determines the swelling behavior for a number of different locations on the battery cell. Preferably at different locations on the outer cell wall of the battery cell. In this case, local maxima or minima of the swelling behavior can be determined, for example.
  • the spatially resolved distribution of the swelling behavior can be recorded, for example, using a sensor arrangement for measuring the swelling behavior, which is designed to determine a value for the swelling behavior for the number of different locations on the battery cell.
  • the sensor arrangement can, for example, have several sensors assigned to the (measuring) locations, e.g. force, pressure and/or surface pressure sensors.
  • the method further comprises the step of selecting a sensor target position depending on the determined spatially resolved distribution of the swelling behavior. Based on the determined spatially resolved distribution of the swelling behavior, a location on the battery cell can thus be selected which, for example based on predetermined criteria (parameters), is particularly advantageous or suitable for detecting and/or monitoring the swelling behavior and/or the aging state of the battery cell.
  • a sensor target position can, for example, be a location on the battery cell at which a sensor can be arranged to detect the swelling behavior and at which the local swelling behavior correlates with the overall swelling behavior and/or the overall aging behavior of the battery cell.
  • the sensor target position can be the location on the battery cell which has a maximum of the previously determined swelling behavior.
  • the steps described above of determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior and selecting the sensor target position are preferably carried out as part of a development, testing and/or inspection process for the first battery cells, e.g. in which the first battery cell is cycled on a battery test bench until the end of its life and the swelling behavior is measured during and/or at the end of the cycling.
  • the first battery cell can be measured individually without being installed in a battery module.
  • the method further comprises the step of producing a storage device for electrical energy (hereinafter also referred to as electrical energy storage device), which comprises one or more battery cells, which are referred to below as second battery cells.
  • the electrical energy storage device can be a battery module, for example a battery cell stack module in which several battery cells are arranged as a battery cell stack, ie the Battery cells are arranged in stacks. However, it is also possible for the battery module to contain only a single battery cell.
  • the electrical energy storage device can be an electrical energy storage device for providing electrical traction energy for a vehicle, preferably for a commercial vehicle.
  • the electrical energy storage device can also be an electrical energy storage device for mobile applications, e.g. for aircraft, work machines, boats, etc.).
  • the electrical energy storage device can be an energy storage device for stationary applications (e.g. stationary battery storage devices on PV or charging systems).
  • the second battery cells are preferably identical in construction to the first battery cell, of the same type as the first battery cell and/or battery cells that have the same spatially resolved swelling behavior as the first battery cell.
  • a sensor for detecting the swelling behavior of the second battery cell is arranged at the selected sensor target position on at least one of the one or more second battery cells.
  • the method presented first examines the swelling behavior of the battery cell, e.g. as part of the development work on a battery test bench. In doing so, it is determined spatially resolved at which points the swelling behavior of the battery cell is, for example, strongly pronounced, and at which points the swelling behavior is less pronounced.
  • a sensor target position is determined at which the swelling behavior and/or the exceeding of a threshold value of the swelling behavior of the battery cell can be monitored using a single sensor.
  • the spatially resolved swelling behavior is typically specific to identically constructed battery cells.
  • the electrical energy storage device which can be used as a traction battery in an electric vehicle, for example, several battery cells are typically connected to form a module in order to achieve a larger charging capacity and a higher voltage, for example.
  • a sensor for monitoring the swelling behavior of the battery cell is arranged on at least one of these cells at the previously selected sensor target position.
  • the selection of the sensor target position advantageously only needs to be carried out once. Any number of electrical energy storage devices can then be produced. The process is therefore particularly suitable for the economical series production of battery modules.
  • the method presented can be used to implement a so-called end-of-life (EoL) early warning system, which can be used to monitor the aging state of battery modules in a cost-effective manner, since preferably only one sensor is used to monitor the The monitoring is nevertheless reliable because the sensor is arranged at a previously determined and selected target sensor position that provides sufficient information about the aging state of the entire battery cell.
  • the aging state of the battery cell is permanently monitored over the entire service life of the battery cell, so that an increased level of safety can be achieved for the vehicle.
  • the sensor target position is a location on the first battery cell and preferably the second battery cell that is a suitable and/or representative location for aging and/or safety assessment of the battery cell and/or that has a threshold behavior from which cell aging and/or reaching an end of life (EoL) state of the battery cell can be deduced.
  • the “end of life” (EoL) is a term for the point in time at which previously defined values of a battery cell are exceeded or undercut due to aging. These previously defined values are usually specified by the manufacturer of the battery cell or can be determined through appropriate tests. These include, for example, a resistance, a current strength, a residual capacity, an energy storage capacity or a pressure inside the battery cell.
  • the service life of a rechargeable battery cell is the period of time between the time of delivery (BoL) and the time of the end of life.
  • the battery cell When the EoL point is reached, the battery cell is generally still functional (possibly to a limited extent), but should no longer be operated and/or replaced promptly because the performance characteristics of the battery cell have deteriorated (e.g. relevant for the range or efficiency of the vehicle) and/or the probability of safety-relevant events (e.g. outgassing or spontaneous combustion of the battery cell) has increased significantly.
  • the sensor target position is a point on the first and preferably second battery cell that exhibits the greatest swelling behavior, preferably after the end of cycling.
  • the point with the greatest swelling behavior is the point on the battery cell that, in relation to the determined spatially resolved determination of the distribution of the swelling behavior, has the greatest local maximum of a measured variable that is a measure of the cell swelling (e.g. the surface pressure).
  • the point with the greatest swelling behavior can also be the point on the battery cell that exhibits the greatest change in the swelling of the battery cell before and after the end of cycling.
  • the sensor target position can be a location on the first and preferably second battery cell that has a greatest surface pressure and/or a greatest change in the surface pressure generated by the interior of the battery cell on the battery cell wall, preferably after the end of cycling.
  • the surface pressure refers to a pressure, i.e. a force per area, that the battery cell exerts on a wall of the battery cell due to the swelling behavior.
  • target sensor positions are particularly suitable as target sensor positions because they provide particularly good information about the aging state of the battery cell. It is also easier to determine a measured value at a target sensor position where the threshold behavior shows the greatest possible difference between the BoL and EoL measured values.
  • the sensor target position can preferably correspond to a partial area of an outer wall of the battery cell.
  • the sensor target position can preferably correspond to an area of an outer wall of the battery cell that is smaller than 20%, more preferably smaller than 10%, more preferably smaller than 5% of a total outer surface of the battery cell.
  • only a small partial area of the cell wall needs to be monitored with regard to the swelling behavior.
  • the sensors for this can be designed to be compact.
  • the sensor for detecting the swelling behavior can be a force, pressure and/or surface pressure sensor and/or a sensor for measuring force between two surfaces.
  • a local geometric expansion behavior of the battery cell can be measured particularly easily.
  • Monitoring non-geometric state variables, e.g. the internal resistance can also be carried out by such sensors by storing corresponding assignment tables, e.g. which surface pressure at a certain point corresponds to a certain internal resistance.
  • assignment tables can be created, for example, as part of determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior.
  • the sensor for detecting the swelling behavior can be designed as a film sensor and/or as a sensor that preferably has a thickness of less than 1 mm, more preferably a thickness of less than 0.5 mm.
  • Such sensors can be particularly easily integrated into the design of the battery module, in particular when the battery cells form a battery cell stack and the sensor is arranged between two adjacent battery cells.
  • the installation space required by such a sensor is small, so that the charge density, ie the charge capacity per volume of the electrical energy storage device, e.g. the battery module, is not or not significantly reduced.
  • the sensor for detecting the swelling behavior can be a sensor switch.
  • the sensor switch has two conductors that only touch when swelling of the battery cell exceeds a predetermined threshold. This threshold can be exceeded, for example, if the battery cell reaches a maximum permissible expansion of the battery cell or a limit value that is a predetermined safety buffer below the maximum permissible expansion.
  • One of the two conductors can be arranged on the battery cell and the other conductor, for example, on a wall of a module housing or neighboring battery cell opposite the battery cell.
  • Corresponding conductors can be, for example, wires or metal foils. As soon as the two conductors touch, a signal is emitted. This makes it particularly easy to monitor whether a limit value for the expansion of the battery cell is exceeded.
  • the senor for detecting the threshold behavior can be designed to generate an output signal that can be measured and/or evaluated directly or only with simple operational amplifier circuits with a microcontroller.
  • the measurement signal that is output by the sensor is sufficiently large so that a complex amplifier circuit is not necessary.
  • the difference between the measurement signal output by the sensor when the EoL is reached is at least 5%, particularly preferably at least 8%, of the measurement signal of the BoL. In this way, a cost-effective implementation of the method can be achieved.
  • the senor for detecting the swelling behavior cannot be designed as a strain gauge.
  • Strain gauges and their implementation are well known in practice and enable very precise measurement of geometric changes, but they require expensive additional components, e.g. complex amplifier circuits, for reliable operation.
  • the installation of such strain gauges in a battery module is comparatively complex, since they have to be glued to the battery cell over their entire surface, for example. The omission of strain gauges therefore enables a particularly economical implementation of the method presented.
  • the cycling of the first battery cell preferably takes place under conditions that are modeled on those during operation of an electrical energy storage device, e.g. a battery module that includes such battery cells.
  • a certain pressure can be exerted on the battery cell during cycling, for example, which corresponds to a pressure that would be exerted by a housing of the energy storage device or battery module.
  • the first battery cell can advantageously be measured individually without being installed in a battery module.
  • determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior of the first battery cell during and/or at the end of the cycling of the first battery cell therefore comprises clamping the first battery cell in a clamping device, preferably comprising a frame, for example a rubber frame.
  • a clamping device preferably comprising a frame, for example a rubber frame.
  • Such a frame can be used particularly well to position the battery cell in such a way that the battery cell has enough space for volume expansion, so that the spatially resolved distribution of the swelling behavior can be determined as accurately as possible.
  • the advantage of using elastic material allows the battery cell to be fixed particularly securely without damaging the battery cell casing.
  • the force transferred to the battery cell by the tension can be precisely controlled.
  • determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior of the first battery cell during and/or at the end of the cycling of the first battery cell can include cycling the first battery cell until the end of its life and after reaching the end of its life, measuring a swelling force per unit area on a housing of the first battery cell and/or measuring a volume expansion of the first battery cell at several measuring points. A value or a temporal progression of the swelling behavior is measured at each measuring point.
  • the multiple measuring points are preferably arranged in a grid-like manner, for example in a matrix-like manner, and/or cover at least 80% of an area of a housing side of the first Battery cell.
  • the multiple measuring points are arranged on the housing side(s) that have the greatest swelling, i.e. on which the swelling is predominantly evident.
  • the swelling occurs predominantly normal to the electrode stack or electrode winding surface.
  • the volume expansion or swelling force per unit area is typically particularly easy to measure.
  • the coverage of the area indicates which portion of this housing side the spatially resolved swelling behavior is determined from. The spatial resolution is better the more measuring points are used with the same coverage.
  • cycling can also be stopped before the end of life is reached and the spatially resolved threshold behavior determined.
  • the spatially resolved threshold behavior, as well as the values required at the end of life, can be determined by extrapolating the determined distribution towards the end of life. Cycling until the end of life of the battery cell, however, makes it possible to forego extrapolation and therefore enables particularly reliable measurement results.
  • the sensor target position is selected as the measuring point that has the largest threshold force per unit area and/or the largest volume expansion of all measuring points. These points are particularly informative with regard to the aging state of the battery cell.
  • a large change in the threshold force per unit area or the volume expansion enables a large change in the measurement signal for the sensor to record the threshold behavior, so that a less sensitive sensor can be used or the sensor signal can be used without complex processing.
  • the method further comprises the step of determining a limit value for the sensor for detecting the threshold behavior, which indicates that the first and/or second battery cells have reached the end of their life, depending on the threshold behavior of the first battery cell determined at the sensor target position at the end of the cycling.
  • a limit value for the sensor for detecting the threshold behavior which indicates that the first and/or second battery cells have reached the end of their life, depending on the threshold behavior of the first battery cell determined at the sensor target position at the end of the cycling.
  • the limit value can be set somewhat lower than it would be at the actual end of life in order to provide additional to have a sufficient safety margin until the actual end of life. This enables particularly simple monitoring and thus particularly safe operation of the battery module produced.
  • the manufacture of the battery module includes the provision of a control unit that is in signal connection with the sensor and that is set up to monitor the limit value for the sensor depending on the sensor signals.
  • the control unit can, for example, issue a warning signal when the limit value is reached or when the sensor signal approaches the limit value so that the user knows in good time that the battery module should be replaced.
  • the control unit can correspond to the so-called battery management system (BMS) or the battery management unit (BMU) or a battery module controller, or form a partial functionality of each of these.
  • control unit can be designed to switch off the battery module when the limit value of the sensor signal is exceeded, thereby indicating that safe operation of the battery module is no longer possible.
  • the control unit can also preferably be designed to reduce the depth of discharge (DoD), i.e. the distance between a minimum and a maximum state of charge, of the battery module when the sensor signal approaches the limit value. In this way, the service life of the battery module can be extended in many cases.
  • DoD depth of discharge
  • an electrical energy storage device e.g. a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle
  • the electrical energy storage device is manufactured using the method described above.
  • a further aspect of the present disclosure relates to a storage device for electrical energy, e.g. a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle.
  • the storage device for electrical energy comprises one or more battery cells, wherein a sensor for detecting a swelling behavior of the battery cell is arranged on at least one of the one or more battery cells at a predetermined sensor target position.
  • the sensor target position is preferably a location on the battery cells that is a location representative of aging and/or safety assessment, and/or that has a swelling behavior from which cell aging and/or the reaching of an end of life, EoL state of the battery cell can be derived. Additionally or alternatively, the sensor target position can be a location on the battery cells that has the greatest swelling behavior and/or the greatest surface pressure generated from the interior of the battery cell on the battery cell wall, preferably after the end of cycling. Whether e.g. For example, whether the greatest swelling behavior or the greatest surface pressure is more advantageous for the selection of the sensor target position depends on the rigidity of the clamping of the battery cell. With a stiffer clamping, the battery cell is prevented from expanding, so that a high surface pressure is formed. With a softer clamping, the battery cell can expand geometrically with less resistance, so that the change in the surface pressure is smaller.
  • At most one sensor for detecting the swelling behavior can be attached to the one or more battery cells.
  • a vehicle preferably a motor vehicle, comprising a battery module as described above is provided.
  • the vehicle is designed as a commercial vehicle.
  • the vehicle can be a motor vehicle which, due to its design and equipment, is designed to transport people, transport goods or tow trailers.
  • the vehicle can be a truck, a bus and/or a semitrailer which is at least partially electrically powered.
  • Figure 1 is a flow chart illustrating the method for producing a battery module according to an embodiment of the invention
  • Figure 2a is a schematic representation of a first battery cell according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 2b schematically illustrates a determined spatially resolved distribution of a swelling behavior of a first battery cell according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a battery module according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a second battery cell and a control unit of a battery module according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a flow chart to illustrate a method 1 for producing a battery module with one or more battery cells, preferably for providing electrical traction energy for a vehicle.
  • a spatially resolved distribution of a threshold behavior of a first battery cell is determined during and/or at the end of a cyclization.
  • a cyclization refers to the repeated charging and discharging of battery cells, e.g. in a test bench as part of the development work on new or improved battery modules.
  • step S20 Based on the determined spatially resolved distribution of the swelling behavior, in step S20 the location (position) on the battery cell, preferably on its outer cell wall, is determined which has a swelling behavior based on which the aging state, in particular an EoL state of the battery cell, can be determined and monitored particularly reliably.
  • This location (position) determined in this way is selected as the sensor target position in order to arrange a sensor there for monitoring the swelling behavior if battery modules with battery cells of the same type as the first battery cell or with battery cells for which the previously spatially resolved distribution of the swelling behavior is also valid are subsequently manufactured (step S30).
  • the battery cells of the battery module are also referred to as second battery cells.
  • the terms “first battery cell” and “second battery cell” serve only to distinguish the two components and do not refer to a sequence or a number.
  • the battery module manufactured in step S30 may comprise several second battery cells.
  • the aging state of battery modules can be monitored cost-effectively, since only a single sensor is needed to monitor a battery cell.
  • the monitoring is nevertheless reliable, since the sensor is arranged at a previously selected target sensor position, which has sufficient significance for the aging state of the entire battery cell.
  • the two steps S10 and S20 are explained in more detail below using Figures 2a and 2b.
  • Figure 2a shows a first battery cell 4 during or at the end of a cycling process.
  • the first battery cell 4 is preferably a prismatic battery cell (as shown) or a pouch cell.
  • the first battery cell 4 is a battery cell that expands as a result of at least one charging and/or discharging process, and can therefore change its state from a non-expanded state to an expanded state and vice versa.
  • the swelling behavior of the first battery cell 4 is not necessarily the same everywhere for different locations on the first battery cell 4, but can differ for different locations on the first battery cell 4.
  • the first battery cell 4 can, for example, be arranged in a battery test stand (not shown), preferably clamped using a frame 11.
  • the frame can be part of a clamping device (so-called “cell jig”) (see below).
  • the cycling of the first battery cell 4 preferably takes place under conditions that are modeled on those during operation of an electrical energy storage device, e.g. battery module, in which one or more such battery cells are installed.
  • an electrical energy storage device e.g. battery module
  • a certain pressure can be exerted on the first battery cell 4 during cycling, for example, which corresponds to a pressure that would be exerted by a housing of the battery module.
  • the method makes it possible for the first battery cell 4 to be measured individually without it being installed in a battery module.
  • the battery test bench and, for example, the clamping device for the first battery cell 4 should therefore preferably be designed in such a way that they are as similar or as accurate as possible to the installation situation of a (further) battery cell in an energy storage device or battery module.
  • This is advantageous because the resulting surface pressure depends on the properties of the battery cell (swelling behavior, stiffness) and the properties of the clamping/installation situation.
  • Appropriate clamping devices are already known from practice, with which the stiffness properties of the battery module or module housing can be generated and/or simulated.
  • Such a clamping device can advantageously be used during cycling.
  • Such a clamping device can comprise, for example, rigid plates, e.g.
  • the clamping device ensures that the necessary clamping force can be applied or that the clamping force correlates with the state of charge in the same way as in the battery module.
  • the battery cell can be clamped in a rubber frame that is part of the clamping device or is provided in addition to it. If there are cell intermediate layers in the battery module between the battery cells or between battery cells and other parts of the energy storage device that have a certain elasticity/plasticity and possibly windows (e.g. “gappads”, “rubber frames”), this can also be taken into account by designing the clamping device accordingly in order to observe the same swelling behavior of the first battery cell 4 during cycling as occurs in battery modules in which comparable battery cells are installed.
  • the force F exerted on the first battery cell 4 during cycling is indicated by arrows on both sides of the first battery cell 4.
  • the force F preferably acts evenly on the entire frame 11.
  • the first battery cell 4 can have space for volume expansion, which corresponds, for example, to the use of rubber frames as cell interlayers in the battery module.
  • the frame 11 is preferably made of elastic material, e.g. rubber. The use of elastic material means that the first battery cell 4 can be securely fixed without damaging the first battery cell 4.
  • a planar measuring device 17 is preferably arranged on at least one housing side 14 of the housing 12 of the first battery cell 4, with which the spatially resolved distribution 3 of the swelling behavior can be determined in accordance with step S10 of Figure 1.
  • the housing side 14 preferably corresponds to the housing side 14 on which the swelling behavior is particularly pronounced. Typically, this corresponds to the housing side 14 that runs parallel to the electrode stacks or parallel to the electrode winding surfaces of the battery cell, since the swelling usually takes place in the normal direction to the cell winding/cell stack.
  • the planar measuring arrangement 17 preferably covers at least 80% of the area of the housing side 14.
  • the entire area occupied by the electrode stacks or the electrode windings inside the first battery cell 4 is covered in order to record a maximum of the swelling behavior of the first battery cell 4 as reliably as possible.
  • the swelling behavior can, for example, be a volume expansion of the battery cell and/or a surface pressure exerted by the battery cell interior 8 on the battery cell wall 9.
  • the planar measuring device 17 is designed, for example, to measure a surface pressure and comprises, for example, several measuring points 13, which are preferably arranged in a grid.
  • the measuring device 17 can comprise several sensors for measuring a surface pressure, each of which is arranged at one of the measuring points 13. A value or a temporal progression of the swelling behavior is measured at each measuring point 13.
  • Figure 2b shows the result of determining the spatially resolved distribution 3 of the swelling behavior using a planar measuring device 17.
  • each of the squares shown represents a measuring point 13.
  • the individual measuring points 13 are arranged, for example, in a grid pattern along the x-axis and the y-axis of the coordinate system shown.
  • the coordinate systems of Figures 2a and 2b match.
  • the individual measuring points 13 can be square, i.e. have the same edge lengths in the x-direction and y-direction, but they can also be rectangular, oval or have a completely different shape.
  • the individual measuring points 13 can be directly adjacent to one another or can be arranged with spaces between the individual measuring points 13. An arrangement in which the individual measuring points 13 are arranged in a non-grid pattern is also possible.
  • Such a planar measuring device 17 can be implemented, for example, based on the I-Scan System® from Tekscan® Inc., 333 Schau Highway, Norwood, MA 02062, USA.
  • a sensor target position 5 is selected.
  • the sensor target position preferably corresponds to the measuring point 13 that has a swelling behavior that is most meaningful in comparison to the other measuring points 13 in order to determine an aging state, preferably an EoL state, of the battery cell.
  • the sensor target position 5 can be a point on the first battery cell 4 that is a point representative of aging and/or safety assessment of the first battery cell 4 and/or that has a swelling behavior from which cell aging and/or reaching an end-of-life state of the first battery cell 4 can be derived.
  • the end of life is a term for the point in time at which previously defined values of the first battery cell 4 are undercut due to aging. These previously defined values are specified by the manufacturer of the first battery cell 4 or can be determined by appropriate tests. This includes, for example, a resistance, a current, a Remaining capacity, a remaining energy storage capacity, a pressure inside the first battery cell 4 or a force, e.g. 20 kN, which the first battery cell 4 exerts on a battery cell wall 9.
  • a location can be selected as the sensor target position 5 which, at the end of the cycling, has the greatest swelling behavior and/or the greatest surface pressure generated by the battery cell interior 8 on the battery cell wall 9.
  • the surface pressure refers to a pressure, i.e. a force per area, which the first battery cell 4 exerts on a wall of the first battery cell 4 due to the swelling behavior.
  • the color of the respective measuring points 13 represents a measure of the surface pressure or the pressure at the end of the cycling that is exerted by the battery cell interior 8 on the battery cell wall 9.
  • a darker color means a greater surface pressure or a greater pressure.
  • a maximum has formed at the point (x m , y m ).
  • this point is selected as the sensor target position 5 in accordance with step S20 of Figure 1.
  • the limit value that a sensor arranged at the sensor target position 5 indicates when the end of the life of the battery cell 4 is reached is preferably determined.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a battery module 2 according to an embodiment of the present disclosure, which was manufactured according to step S30 of Figure 1.
  • the second battery cells 6 of Figure 3 are preferably identical in construction to a first battery cell according to steps S10 and S20 of Figure 1, based on which a sensor target position 5 was selected depending on the determined spatially resolved distribution of a threshold behavior.
  • the battery cells 6 are preferably designed as battery cell stacks
  • the respective battery cells 6 can be connected in series or in parallel, for example by means of so-called cell connectors.
  • a sensor 7 for detecting the swelling behavior of the second battery cell is arranged at the sensor target position 5.
  • the sensor 7 for detecting the swelling behavior can be, for example, a force, pressure and/or surface pressure sensor.
  • the sensor 7 for detecting the swelling behavior can be designed as a sensor for measuring force, which outputs the force between two surfaces, for example the battery cell interior and the battery cell wall 9 of the housing 12 of the second battery cell 6, or the battery cell wall 9 and another surface adjacent to it, for example the module casing 20 of the battery module 2.
  • the sensor 7 for detecting the swelling behavior preferably has the following properties:
  • Sensitivity to the measured quantity to be measured e.g. a force, a pressure, a surface pressure and/or a geometric expansion, whereby it may be sufficient that an exceedance of a predetermined limit value is detected;
  • the sensor 7 for detecting the swelling behavior can particularly preferably be designed as a film sensor and/or as a sensor that preferably has a thickness of less than 1 mm, more preferably a thickness of less than 0.5 mm.
  • the sensor 7 for detecting the swelling behavior can thus be arranged particularly well at a flexibly selectable location on the second battery cell 6.
  • the senor 7 can be designed as a simple electrical switch, for example. If a battery module 2 consists of several second battery cells 6, it may be sufficient to arrange a sensor 7 only on a second battery cell 6 of the battery module 2 if, for example, the second battery cell 6 on which the sensor 7 is arranged is representative of the aging behavior of all battery cells of the battery module 2.
  • the change in the sensor output signal when a predetermined trigger threshold is exceeded can preferably be large enough to be measured or evaluated directly or after amplification with simple operational amplifier circuits using standard microcontrollers.
  • this can mean, for example, that with a voltage range of 0 - 5 V and a resolution of 8 bits, the sensor signal or the sensor signal after the operational amplifier circuit changes by at least 0.1 V when the trigger threshold is exceeded and that the noise is a maximum of 20% of this value.
  • the difference in the measurement signal can preferably be large enough that when the trigger threshold is reached, a change from "low” (measurement signal below the trigger threshold) to "high” (measurement signal above the trigger threshold), or vice versa from “high” to “low”, is reliably triggered at the digital input of the microcontroller.
  • the change in a voltage signal for example, is preferably at least 2.5 V.
  • Such a sensor 7 is, for example, a film-like force sensor.
  • Film-like force sensors are characterized by their low thickness. They can, for example, comprise two film-like layers of carrier material (polyester). A conductive material (e.g. silver) is applied to each layer, followed by a layer of pressure-sensitive, semiconductive ink. Both layers are glued together at the edges.
  • the active sensor surface is defined by the silver above the pressure-sensitive ink.
  • the silver conductor tracks extend from the measuring surface to the connection pins at the other end of the sensor.
  • Such a sensor works as a force-sensitive resistor in an electrical circuit. When the sensor is not loaded, its resistance is very high.
  • the resistance can be read, for example, using a multimeter that is attached to conductive pins on the sensor.
  • sensors are known in the art, e.g. B. as Flexi ForceO force sensors from Tekscan®.
  • Flexi ForceO force sensors from Tekscan®.
  • other force, pressure and/or surface pressure sensors known from the state of the art can also be used.
  • the strain gauges frequently used in development work also meet the criteria of sensitivity to the measured variable to be recorded, taking up negligible installation space and being available in large quantities.
  • the relative change in resistance output by a strain gauge is typically in the order of magnitude of the relative change in length to be measured.
  • the relative change in length is typically a few 10 to a few 100 pm/m, which corresponds to a relative change in resistance of 10' 6 to 10' 4.
  • Complex and expensive evaluation electronics are required to evaluate such small changes in resistance, so the use of strain gauges is possible, but is associated with higher costs.
  • a strain gauge must be laboriously connected to the object to be measured for reliable measurement, e.g. glued over the entire surface, which makes it difficult to integrate it into the battery module 2.
  • a single sensor 7 can be seen for detecting the threshold behavior.
  • several sensors 7 can also be arranged on different second battery cells 6.
  • a maximum of one sensor 7 for detecting the threshold behavior is preferably arranged on each of the second battery cells 6 at a single sensor target position 5.
  • Figure 3 shows a battery module 2 that includes four second battery cells 6.
  • the battery module 2 could also include more or fewer than four second battery cells 6.
  • the battery module 2 can include additional battery cells (not shown) that are not identical in construction to the second battery cells 6.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a second battery cell 6 according to a further embodiment of the invention.
  • the second battery cell 6 is in turn part of a battery module 2.
  • the battery module and any additional second battery cells 6 of the battery cell stack are not shown here for the sake of clarity.
  • a sensor 7 for detecting the swelling behavior at the selected sensor target position 5 is arranged on the second battery cell 6 in accordance with step S30 of Figure 1.
  • Figure 4 shows a control unit 15 which is in signal connection 16 with the sensor 7 for detecting the swelling behavior.
  • the control unit 15 receives an output signal 18 from the sensor 7 and is set up to monitor a limit value for the sensor 7 depending on the sensor signals.
  • the limit value is determined depending on the swelling behavior of the first battery cell determined at the sensor target position 5 at the end of the cycling, preferably at the end of the life of the first battery cell.
  • the limit value indicates that the end of the life of the first and/or second battery cell 6 has been reached. This means that it is determined which measured value the sensor 7 arranged at the sensor target position 5 for detecting the swelling behavior outputs when the end of the life of the second battery cell 6 is reached.
  • the limit value can preferably be set somewhat lower than it would be at the actual end of life in order to have an additional safety margin available until the actual end of life. This enables particularly simple monitoring and thus particularly safe operation of the battery module produced.
  • the control unit 15 can, for example, issue a warning signal to a user when the limit value has been exceeded or the output signal 18 approaches the limit value. The user thus knows that the second battery cell 6 and/or the battery module must be replaced.
  • control unit 15 is additionally connected to the second battery cell 6 by means of a signal connection 16, so that the control unit 15 can control the second battery cell 6 by means of an input signal 19 received from the battery cell.
  • control unit 15 can reduce the depth of discharge of the second battery cell 6 when the output signal 18 from the sensor 7 approaches the limit value. In this way, the service life of the second battery cell 6 can be increased.
  • the control unit 15 is designed to completely deactivate the second battery cell 6 if a safety limit value is exceeded, above which continued operation of the second battery cell 6 would involve too great a safety risk.
  • the control unit 15 can, for example, be part of a battery management system of the vehicle or a cell management system of the battery module.
  • the sensor 7 for detecting the threshold behavior is preferably designed to generate an output signal 18, which can be measured and/or processed directly, or with only simple operational amplifier circuits, with a microcontroller 10.
  • Such circuits have the advantage that they can be implemented particularly easily and inexpensively. They are also less susceptible to failure during operation and therefore represent a particularly robust solution.

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Abstract

The invention further relates to a method for producing a storage unit for electrical energy. The electrical energy storage unit may be a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle. The method comprises the step of determining (S10) a spatially resolved distribution (3) of a swelling behaviour of a first battery cell (4) during and/or at the end of cyclization of the first battery cell (4). The method furthermore comprises selecting (S20) a target sensor position (5) depending on the determined spatially resolved distribution (3) of the swelling behaviour and producing (S30) a storage unit for electrical energy comprising one or more second battery cells (6), which are preferably of the same design as the first battery cell (4). A sensor (7) for measuring the swelling behaviour of the second battery cell (6) at the selected target sensor position (5) is arranged on at least one of the one or more second battery cells (6). The present invention furthermore relates to a storage unit for electrical energy produced in this manner. This method (1), the battery module (2) and this vehicle can be used to monitor a state of health of the battery module (2).

Description

Speicher für elektrische Energie mit mindestens einer Batteriezelle und einem Sensor zur Erfassung des Zell-Swellings, sowie Verfahren zur Herstellung des Speichers für elektrische Energie Storage device for electrical energy with at least one battery cell and a sensor for detecting cell swelling, as well as a method for producing the storage device for electrical energy

Beschreibung Description

Die Erfindung betrifft einen Speicher für elektrische Energie, aufweisend mindestens eine Batteriezelle und einen Sensor zur Erfassung eines Schwellverhaltens einer Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Speichers für elektrische Energie. Der elektrische Energiespeicher kann ein Batteriemodul zur Bereitstellung elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug sein. The invention relates to a storage device for electrical energy, comprising at least one battery cell and a sensor for detecting a threshold behavior of a battery cell. The invention further relates to a method for producing such a storage device for electrical energy. The electrical energy storage device can be a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle.

Mit der größer werdenden Nachfrage nach alternativen Antrieben kommt dem Elektroantrieb eine immer größere Bedeutung zu. Die in Fahrzeugen zum Einsatz kommenden Batteriemodule werden meist aus mehreren Batteriezellen zusammengesetzt. In der Praxis haben sich vor allem Lithium-Ionen-Zellen etabliert, da sie eine hohe Energiedichte aufweisen und gleichzeitig eine vergleichsweise große Leistung bereitstellen können. Je nach Anwendung werden aber auch andere Batterietypen wie Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhybrid (NiMH)-Batte- rien verwendet. With the increasing demand for alternative drives, electric drives are becoming increasingly important. The battery modules used in vehicles are usually made up of several battery cells. In practice, lithium-ion cells have become particularly established because they have a high energy density and can simultaneously provide a comparatively high level of power. Depending on the application, however, other battery types such as nickel-cadmium or nickel-metal hybrid (NiMH) batteries are also used.

Mit zunehmender Alterung erfahren verschiedene Eigenschaften der Batteriezelle, z. B. der Innenwiderstand, die maximal zur Verfügung stehende Ladekapazität, oder die im inneren der Batteriezelle fließenden Ströme, Veränderungen. Zum einen reduziert sich damit die für die Nutzbarkeit zur Verfügung stehende Leistungsfähigkeit der Batteriezelle. Zum anderen ist der Alterungszustand für die Sicherheitsbewertung der Batteriezelle von entscheidender Bedeutung, da einige Zustandsgrößen, die alterungsbedingten Veränderungen unterliegen, nur innerhalb bestimmter Grenzwerte betrieben werden dürfen, da ansonsten Sicherheitsrisiken, z. B. die Brandgefahr, erheblich zunehmen. As the battery cell ages, various properties of the battery cell change, such as the internal resistance, the maximum available charging capacity, or the currents flowing inside the battery cell. On the one hand, this reduces the performance of the battery cell available for use. On the other hand, the state of age is of crucial importance for the safety assessment of the battery cell, since some state variables that are subject to age-related changes may only be operated within certain limits, otherwise safety risks, such as the risk of fire, increase significantly.

Derartige Batteriezellen dehnen sich beim Ladevorgang unter anderem aufgrund von veränderten Gitterstrukturen der Aktivschichten (Elektroden) sowie aufgrund von thermischen Effekten aus, wodurch es zu einem Volumenzuwachs der Zelle kommt. Beim Entladevorgang geht dieser Volumenzuwachs bis auf einen kleinen irreversiblen Anteil wieder zurück. Der irreversible Anteil des Volumenzuwachses wird als Schwellen bzw. „Swelling“ bezeichnet, der reversible Anteil als Atmen bzw. „Breathing“. Das Ausmaß des Swellings ist ein Indikator für den Alterungszustand „SoH“ (engl. für State of Health) der Zellen. Es ist daher aus der Praxis bekannt, bei der Herstellung von Batteriemodulen deren Batteriezellen mit einer Sensorik auszustatten, um das Swelling und damit den Alterungszustand der Batteriezellen zu überwachen. Diese bisherigen, aus der Praxis bekannten Lösungen sind jedoch, insbesondere für die Serienproduktion von Fahrzeugen, nicht ausreichend geeignet, da sie ungenau, teuer, oder schwierig zu implementieren sind. Such battery cells expand during the charging process due to, among other things, changes in the lattice structure of the active layers (electrodes) and due to thermal effects, which leads to an increase in the volume of the cell. During the discharging process, this increase in volume decreases again, except for a small irreversible portion. The irreversible portion of the increase in volume is referred to as swelling, the reversible portion as breathing. The extent of the swelling is an indicator of the aging state of health (SoH) of the cells. It is therefore known from practice that during the manufacture of battery modules, the battery cells are equipped with sensors in order to monitor the swelling and thus the aging state of the battery cells. However, these previous solutions known from practice are not sufficiently suitable, especially for the series production of vehicles, as they are inaccurate, expensive, or difficult to implement.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Bereitstellung von derartigen Batteriemodulen bereitzustellen. Mit den Batteriemodulen soll insbesondere eine kostengünstigere und vereinfachte Überwachung des Swellingverhaltens und des Alterungszustands von einer oder mehreren Batteriezellen des Batteriemoduls ermöglicht werden. The invention is therefore based on the object of providing an improved technology for providing such battery modules. The battery modules are intended in particular to enable more cost-effective and simplified monitoring of the swelling behavior and the aging state of one or more battery cells of the battery module.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben. The problem is solved by the features of the independent claims. Advantageous further developments are specified in the dependent claims and the description.

Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass das Swellingverhalten einer Batteriezelle über die Zellfläche der Batteriezelle eine hohe Inhomogenität aufweist. Bestimmte Abschnitte einer Zellfläche weisen ein wesentlich stärkeres Swelling auf als andere Abschnitte. Oftmals bilden sich dabei an bestimmten Zellen lokale Maxima, sog. Hotspots, des Swellings aus, die sich z. B. durch eine lokale maximale Flächenpressung im Vergleich zu anderen Abschnitten der Zellfläche auszeichnen. Entsprechend sind nicht alle Stellen der Batteriezellen geeignet und/oder gleich gut geeignet, einen Alterungszustand anhand des Swellingverhaltens zu überwachen. Die Erfindung macht sich dies zunutze, in dem für einen bestimmten Zelltyp das Schwellverhalten während und/oder nach der Zyklisierung ortsaufgelöst bestimmt wird, z. B. im Rahmen einer Prüfmessung während der Entwicklung. Anhand der bestimmten ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens wird diejenige Stelle (Position) an der Batteriezelle, vorzugsweise an deren äußeren Zellwandung, ermittelt, die ein Schwel Iverhalten aufweist, anhand dem der Alterungszustand, insbesondere ein EoL-Zustand („EoL“: engl. für End of Life) der Batteriezelle, besonders zuverlässig ermittelt und überwacht werden kann. Diese so ermittelte Stelle (Position) wird als Sensor-Sollposition ausgewählt, um dort einen Sensor zur Überwachung des Schwellverhaltens anzuordnen, wenn nachfolgend Speicher für elektrische Energie, z. B. Batteriemodule, mit Batteriezellen vom gleichen Typ oder mit Batteriezellen, für die die zuvor ortsaufgelöste Verteilung des Schwellverhaltens ebenfalls gültig ist, hergestellt werden. Umfasst der Speicher für elektrische Energie mehrere Batteriezellen, ist es möglich, dass alle Batteriezellen des Speichers mit solch einem Sensor ausgestattet werden oder nur ein Teil der Batteriezellen. Es kann auch nur eine der Batteriezellen mit solch einem Sensor ausgestattet werden, um damit den ganzen Speicher bzw. alle Batteriezellen zu überwachen, sofern vorzugsweise die verwendete Batteriezelle repräsentativ für das Alterungsverhalten sämtlicher Batteriezellen des Speichers ist. Entsprechend muss nur ein (kleiner) Teilbereich der Batteriezelle, vorzugsweise ein Teilbereich der Zellwandung, im Hinblick auf das Schwellverhalten mittels eines Sensors überwacht werden. Der Sensor kann entsprechend kompakt und kostengünstig ausgeführt sein. Im einfachsten Fall kann es ausreichend sein, eine einfache Schwellwertübertretung an einem Punkt der Batteriezelle vorzunehmen. Within the scope of the invention, it was found that the swelling behavior of a battery cell exhibits a high degree of inhomogeneity across the cell surface of the battery cell. Certain sections of a cell surface exhibit significantly greater swelling than other sections. Local maxima, so-called hotspots, of swelling often form on certain cells, which are characterized, for example, by a local maximum surface pressure compared to other sections of the cell surface. Accordingly, not all locations on the battery cells are suitable and/or equally suitable for monitoring an aging state based on the swelling behavior. The invention takes advantage of this by determining the swelling behavior for a specific cell type during and/or after cycling in a spatially resolved manner, e.g. as part of a test measurement during development. Based on the determined spatially resolved distribution of the swelling behavior, the location (position) on the battery cell, preferably on its outer cell wall, is determined which has a swelling behavior based on which the aging state, in particular an EoL state (“EoL”: English for End of Life) of the battery cell, can be determined and monitored particularly reliably. This location (position) determined in this way is selected as the sensor target position in order to arrange a sensor there to monitor the swelling behavior when subsequently storage devices for electrical energy, e.g. battery modules, with battery cells of the same type or with battery cells for which the previously spatially resolved distribution of the swelling behavior is also valid, are manufactured. If the storage device for electrical energy comprises several battery cells, it is possible for all battery cells of the storage device to be equipped with such a sensor or only some of the battery cells. Only one of the battery cells can also be equipped with such a sensor in order to monitor the entire storage device or all battery cells. provided that the battery cell used is representative of the aging behavior of all battery cells in the storage system. Accordingly, only a (small) part of the battery cell, preferably a part of the cell wall, needs to be monitored with regard to the threshold behavior using a sensor. The sensor can be designed to be compact and inexpensive. In the simplest case, it may be sufficient to simply exceed the threshold at one point on the battery cell.

Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug bereitgestellt. According to a first general aspect of the present disclosure, a method of manufacturing a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle is provided.

Das Verfahren umfasst den Schritt des Ermittelns einer ortsaufgelösten Verteilung eines Schwellverhaltens, d. h. des Swelling-Verhaltens, einer Batteriezelle während und/oder am Ende einer Zyklisierung der Batteriezelle. Die Batteriezelle, anhand derer die ortsaufgelöste Verteilung des Schwellverhaltens, ermittelt wird, wird nachfolgend als erste Batteriezelle bezeichnet zur besseren Unterscheidung von nachfolgend beschriebenen weiteren Batteriezellen, die als zweite Batteriezellen bezeichnet werden. Die Zyklisierung bezeichnet das wiederholte Laden und Entladen von Batteriezellen und ist z. B. ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung und Prüfung von Batteriezellen. The method comprises the step of determining a spatially resolved distribution of a swelling behavior, i.e. the swelling behavior, of a battery cell during and/or at the end of a cycling of the battery cell. The battery cell, based on which the spatially resolved distribution of the swelling behavior is determined, is referred to below as the first battery cell to better distinguish it from other battery cells described below, which are referred to as second battery cells. Cycling refers to the repeated charging and discharging of battery cells and is, for example, an important component in the development and testing of battery cells.

Vorzugsweise wird die Zyklisierung derart durchgeführt, dass sie in der ersten Batteriezelle eine möglichst ähnliche Alterung hervorruft, wie sie im realen Betrieb eines Energiespeichers, der mindestens eine Batteriezelle gleicher oder ähnlicher Bauart umfasst, zu erwarten ist. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass Werte für Betriebsparameter, die die Zellalterung beeinflussen, bei der Zyklisierung ähnlich gewählt werden wie sie bei einer zukünftigen Zielanwendung auftreten. Derartige Betriebsparameter umfassen z. B. eine Entladetiefe, d. h. der Abstand zwischen einem minimalen und einem maximalen Ladezustand, eine fließende Stromstärken, C-Raten, Zelltemperaturen und eine Verspannungssituation der Batteriezelle während der Zyklisierung. Preferably, the cyclization is carried out in such a way that it causes aging in the first battery cell that is as similar as possible to that expected in the real operation of an energy storage device that comprises at least one battery cell of the same or similar design. This can be achieved, for example, by selecting values for operating parameters that influence cell aging during cyclization that are similar to those that occur in a future target application. Such operating parameters include, for example, a depth of discharge, i.e. the distance between a minimum and a maximum state of charge, a flowing current strength, C rates, cell temperatures and a stress situation of the battery cell during cyclization.

Vorzugsweise ist die Batteriezelle eine prismatische Batteriezelle oder eine Pouch-Zelle. Die Batteriezelle ist eine Batteriezelle, die sich bedingt durch mindestens einen Lade- und/oder Entladevorgang ausdehnt, somit ihren Zustand von einem nicht-ausgedehnten Zustand zu einem ausgedehnten Zustand wechseln kann und umgekehrt. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass das Schwellverhalten den irreversiblen Anteil des Volumenzuwachses bezeichnet. Das Schwellverhalten der Batteriezelle variiert für verschiedene Stellen der Batteriezelle. Das Ermitteln der ortsaufgelösten Verteilung ermittelt daher das Schwellverhalten für eine Mehrzahl unterschiedlicher stellen der Batteriezelle. Vorzugsweise an unterschiedlichen Stellen der äußeren Zellwandung der Batteriezelle. Dabei können z. B. lokale Maxima oder Minima des Schwellverhaltens ermittelt werden. Die ortsaufgelöste Verteilung des Schwellverhaltens kann z. B. mittels einer Sensoranordnung zur Messung des Schwellverhaltens erfasst werden, die ausgebildet ist, für die Mehrzahl unterschiedlicher Stellen der Batteriezelle jeweils einen Wert für das Schwellverhalten zu ermitteln. Die Sensoranordnung kann hierzu z. B. mehrere den (Mess)-Stellen zugeordnete Sensoren, z. B. Kraft- Druck und/oder Flächenpressung-Sensoren, aufweisen. Preferably, the battery cell is a prismatic battery cell or a pouch cell. The battery cell is a battery cell that expands due to at least one charging and/or discharging process, and can therefore change its state from a non-expanded state to an expanded state and vice versa. It has already been established above that the swelling behavior describes the irreversible part of the volume increase. The swelling behavior of the battery cell varies for different locations on the battery cell. The Determining the spatially resolved distribution therefore determines the swelling behavior for a number of different locations on the battery cell. Preferably at different locations on the outer cell wall of the battery cell. In this case, local maxima or minima of the swelling behavior can be determined, for example. The spatially resolved distribution of the swelling behavior can be recorded, for example, using a sensor arrangement for measuring the swelling behavior, which is designed to determine a value for the swelling behavior for the number of different locations on the battery cell. The sensor arrangement can, for example, have several sensors assigned to the (measuring) locations, e.g. force, pressure and/or surface pressure sensors.

Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Auswählens, abhängig von der ermittelten ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens, einer Sensor-Sollposition. Anhand der ermittelten ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens kann somit eine Stelle der Batteriezelle ausgewählt werden, die z.B. anhand vorbestimmter Kriterien (Parameter), besonders vorteilhaft oder geeignet ist, um das Schwellverhalten und/oder den Alterungszustand der Batteriezelle zu erfassen und/oder zu überwachen. Eine Sensor-Sollposition kann z. B. eine Stelle der Batteriezelle sein, an der ein Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens angeordnet werden kann und an der das lokale Schwellverhalten mit dem gesamten Schwellverhalten und/oder dem gesamten Alterungsverhalten der Batteriezelle korreliert. Die Sensor-Sollposition kann diejenige Stelle der Batteriezelle sein, die ein Maximum des zuvor ermittelten Schwellverhaltens aufweist. The method further comprises the step of selecting a sensor target position depending on the determined spatially resolved distribution of the swelling behavior. Based on the determined spatially resolved distribution of the swelling behavior, a location on the battery cell can thus be selected which, for example based on predetermined criteria (parameters), is particularly advantageous or suitable for detecting and/or monitoring the swelling behavior and/or the aging state of the battery cell. A sensor target position can, for example, be a location on the battery cell at which a sensor can be arranged to detect the swelling behavior and at which the local swelling behavior correlates with the overall swelling behavior and/or the overall aging behavior of the battery cell. The sensor target position can be the location on the battery cell which has a maximum of the previously determined swelling behavior.

Die vorstehend beschriebenen Schritte der Ermittlung der ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens und des Auswählens der Sensor-Sollposition werden vorzugsweise im Rahmen eines Entwicklungs-, Test- und/oder Prüfvorgangs der ersten Batteriezellen durchgeführt, z. B. bei dem die erste Batteriezelle auf einem Batterieteststand bis zum Lebensende zyklisiert wird und das Schwellverhalten während und/oder am Ende der Zyklisierung gemessen wird. Die erste Batteriezelle kann dabei einzeln vermessen werden, ohne dass sie dabei in einem Batteriemodul verbaut ist. The steps described above of determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior and selecting the sensor target position are preferably carried out as part of a development, testing and/or inspection process for the first battery cells, e.g. in which the first battery cell is cycled on a battery test bench until the end of its life and the swelling behavior is measured during and/or at the end of the cycling. The first battery cell can be measured individually without being installed in a battery module.

Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt der Herstellung eines Speichers für elektrische Energie (nachfolgend auch als elektrischer Energiespeicher bezeichnet), der eine oder mehrere Batteriezellen umfasst, die nachfolgend als zweite Batteriezellen bezeichnet werden. Der elektrische Energiespeicher kann ein Batteriemodul sein, beispielsweise ein Batteriezellstapelmodul, bei dem mehrere Batteriezellen als Batteriezellenstapel angeordnet sind, d. h. die Batteriezellen sind stapelförmig angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass das Batteriemodul nur eine einzige Batteriezelle umfasst. The method further comprises the step of producing a storage device for electrical energy (hereinafter also referred to as electrical energy storage device), which comprises one or more battery cells, which are referred to below as second battery cells. The electrical energy storage device can be a battery module, for example a battery cell stack module in which several battery cells are arranged as a battery cell stack, ie the Battery cells are arranged in stacks. However, it is also possible for the battery module to contain only a single battery cell.

Der elektrische Energiespeicher kann ein elektrischer Energiespeicher zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Nutzfahrzeug, sein. Alternativ kann der elektrische Energiespeicher auch ein elektrischer Energiespeicher für mobile Anwendungen sein, z. B. für Fluggeräte, Arbeitsmaschinen, Boote etc.). Ferner kann der elektrische Energiespeicher ein Energiespeicher für stationäre Anwendungen sein (z. B. ortsfeste Batteriespeicher an PV- oder Ladeanlagen). The electrical energy storage device can be an electrical energy storage device for providing electrical traction energy for a vehicle, preferably for a commercial vehicle. Alternatively, the electrical energy storage device can also be an electrical energy storage device for mobile applications, e.g. for aircraft, work machines, boats, etc.). Furthermore, the electrical energy storage device can be an energy storage device for stationary applications (e.g. stationary battery storage devices on PV or charging systems).

Die zweiten Batteriezellen sind vorzugsweise baugleich zur ersten Batteriezelle, vom gleichen Typ wie die erste Batteriezelle und/oder Batteriezellen, die das gleiche ortsaufgelöste Schwellverhalten wie die erste Batteriezelle aufweisen. Bei der Herstellung des elektrischen Energiespeichers wird an mindestens einer der einen oder der mehreren zweiten Batteriezellen ein Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens der zweiten Batteriezelle an der ausgewählten Sensor-Sollposition angeordnet. Anders ausgedrückt wird durch das vorgestellte Verfahren zuerst, z. B. im Rahmen der Entwicklungsarbeit an einem Batterieteststand, das Schwellverhalten der Batteriezelle untersucht. Dabei wird ortsaufgelöst ermittelt, an welchen Stellen das Schwellverhalten der Batteriezelle z. B. stark ausgeprägt ist, und an welchen Stellen das Schwellverhalten weniger stark ausgeprägt ist. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse wird eine Sensor-Sollposition ermittelt, an der das Schwellverhalten und/oder die Überschreitung eines Schwellwerts des Schwellverhaltens der Batteriezelle mittels eines einzigen Sensors überwacht werden kann. Das ortsaufgelöste Schwellverhalten ist typischerweise spezifisch für baugleiche Batteriezellen. Bei der Herstellung des elektrischen Energiespeichers, der z. B. als Traktionsbatterie in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann, werden typischerweise mehrere Batteriezellen zu einem Modul zusammengeschlossen, um beispielsweise eine größere Ladekapazität und eine höhere Spannung zu erreichen. An mindestens einer dieser Zellen wird ein Sensor zur Überwachung des Schwellverhaltens der Batteriezelle an der zuvor ausgewählten Sensor-Sollposition angeordnet. Das Auswählen der Sensor-Sollposition braucht vorteilhaft nur einmal durchgeführt werden. Anschließend können beliebig viele elektrische Energiespeicher hergestellt werden. Das Verfahren ist daher insbesondere zur wirtschaftlichen Serienproduktion von Batteriemodulen geeignet. The second battery cells are preferably identical in construction to the first battery cell, of the same type as the first battery cell and/or battery cells that have the same spatially resolved swelling behavior as the first battery cell. During the manufacture of the electrical energy storage device, a sensor for detecting the swelling behavior of the second battery cell is arranged at the selected sensor target position on at least one of the one or more second battery cells. In other words, the method presented first examines the swelling behavior of the battery cell, e.g. as part of the development work on a battery test bench. In doing so, it is determined spatially resolved at which points the swelling behavior of the battery cell is, for example, strongly pronounced, and at which points the swelling behavior is less pronounced. Based on these test results, a sensor target position is determined at which the swelling behavior and/or the exceeding of a threshold value of the swelling behavior of the battery cell can be monitored using a single sensor. The spatially resolved swelling behavior is typically specific to identically constructed battery cells. When producing the electrical energy storage device, which can be used as a traction battery in an electric vehicle, for example, several battery cells are typically connected to form a module in order to achieve a larger charging capacity and a higher voltage, for example. A sensor for monitoring the swelling behavior of the battery cell is arranged on at least one of these cells at the previously selected sensor target position. The selection of the sensor target position advantageously only needs to be carried out once. Any number of electrical energy storage devices can then be produced. The process is therefore particularly suitable for the economical series production of battery modules.

Ferner kann mithilfe des vorgestellten Verfahrens ein sog. End-of-Life-, EoL-, Frühwarnsystem realisiert werden, mit dem eine kostengünstige Überwachung des Alterungszustands von Batteriemodulen vorgenommen werden kann, da bevorzugt nur ein Sensor zur Überwachung des Schwellverhaltens einer Batteriezelle benötigt wird. Die Überwachung ist dennoch zuverlässig, da der Sensor an einer entsprechend zuvor bestimmten und ausgewählten Sensor-Sollposition angeordnet ist, die eine ausreichende Aussagekraft über den Alterungszustand der gesamten Batteriezelle aufweist. Insbesondere wird der Alterungszustand der Batteriezelle permanent über die gesamte Lebensdauer der Batteriezelle überwacht, sodass ein erhöhtes Sicherheitsniveau für das Fahrzeug erreicht werden kann. Furthermore, the method presented can be used to implement a so-called end-of-life (EoL) early warning system, which can be used to monitor the aging state of battery modules in a cost-effective manner, since preferably only one sensor is used to monitor the The monitoring is nevertheless reliable because the sensor is arranged at a previously determined and selected target sensor position that provides sufficient information about the aging state of the entire battery cell. In particular, the aging state of the battery cell is permanently monitored over the entire service life of the battery cell, so that an increased level of safety can be achieved for the vehicle.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensor-Sollposition eine Stelle der ersten Batteriezelle und vorzugsweise zweiten Batteriezelle, die eine für eine Alterung und/oder Sicherheitsbewertung der Batteriezelle geeignete und/oder repräsentative Stelle ist und/oder die ein Schwellverhalten aufweist, aus dem eine Zellalterung und/oder eine Erreichung eines Lebensendes, EoL, -Zustands der Batteriezelle ableitbar ist. Das „Lebensende“ (EoL: engl. für End of Life) ist eine Bezeichnung für den Zeitpunkt, zu dem zuvor definierte Werte einer Batteriezelle durch Alterung unterschritten bzw. überschritten werden. Diese zuvor definierten Werte werden in der Regel vom Hersteller der Batteriezelle vorgegeben, oder können durch entsprechende Versuche ermittelt werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Widerstand, eine Stromstärke, eine Restkapazität, eine Energiespeicherfähigkeit oder einen Druck im inneren der Batteriezelle. Die Lebensdauer einer wieder aufladbaren Batteriezelle ist die Zeitspanne zwischen dem Auslieferungszeitpunkt (BoL: engl. für Begin of Life) und dem Zeitpunkt des Lebensendes. Mit Erreichen des EoL-Zeitpunkts ist die Batteriezelle in der Regel weiterhin (ggf. eingeschränkt) funktionstüchtig, sollte aber nicht mehr weiter betrieben werden und/oder zeitnah ausgetauscht werden, da sich Gebrauchseigenschaften der Batteriezelle verschlechtert haben (z. B. relevant für die Reichweite bzw. die Effizienz des Fahrzeugs) und/oder die Wahrscheinlichkeit von sicherheitsrelevanten Ereignissen (z. B. Ausgasen oder Selbstentzündung der Batteriezelle) signifikant zugenommen haben. According to a preferred embodiment, the sensor target position is a location on the first battery cell and preferably the second battery cell that is a suitable and/or representative location for aging and/or safety assessment of the battery cell and/or that has a threshold behavior from which cell aging and/or reaching an end of life (EoL) state of the battery cell can be deduced. The “end of life” (EoL) is a term for the point in time at which previously defined values of a battery cell are exceeded or undercut due to aging. These previously defined values are usually specified by the manufacturer of the battery cell or can be determined through appropriate tests. These include, for example, a resistance, a current strength, a residual capacity, an energy storage capacity or a pressure inside the battery cell. The service life of a rechargeable battery cell is the period of time between the time of delivery (BoL) and the time of the end of life. When the EoL point is reached, the battery cell is generally still functional (possibly to a limited extent), but should no longer be operated and/or replaced promptly because the performance characteristics of the battery cell have deteriorated (e.g. relevant for the range or efficiency of the vehicle) and/or the probability of safety-relevant events (e.g. outgassing or spontaneous combustion of the battery cell) has increased significantly.

Zudem oder alternativ ist die Sensor-Sollposition eine Stelle der ersten und vorzugsweise zweiten Batteriezelle, die das größte Schwellverhalten aufweist, vorzugsweise nach Ende der Zyklisierung. Die Stelle mit dem größten Schwel Iverhalten ist diejenige Stelle der Batteriezelle, die in Bezug auf die ermittelte ortsaufgelöste Ermittlung der Verteilung des Schwel Iverhaltens das größte lokale Maximum einer Messgröße aufweist, die ein Maß für die Zellschwellung ist (z. B. die Flächenpressung). Die Stelle mit dem größten Schwellverhalten kann auch diejenige Stelle der Batteriezelle sein, die die größte Veränderung des Swellings der Batteriezelle vor und nach Ende der Zyklisierung aufweist. Zudem oder alternativ kann die Sensor-Sollposition eine Stelle der ersten und vorzugsweise zweiten Batteriezelle sein, die eine größte Flächenpressung und/oder eine größte Veränderung der Flächenpressung, welche vom Batteriezellen-Innern auf die Batteriezellenwandung erzeugt wird, aufweist, vorzugsweise nach Ende der Zyklisierung. Die Flächenpressung bezeichnet einen Druck, das heißt eine Kraft pro Fläche, die die Batteriezelle aufgrund des Schwellverhaltens auf eine Wandung der Batteriezelle ausübt. In addition or alternatively, the sensor target position is a point on the first and preferably second battery cell that exhibits the greatest swelling behavior, preferably after the end of cycling. The point with the greatest swelling behavior is the point on the battery cell that, in relation to the determined spatially resolved determination of the distribution of the swelling behavior, has the greatest local maximum of a measured variable that is a measure of the cell swelling (e.g. the surface pressure). The point with the greatest swelling behavior can also be the point on the battery cell that exhibits the greatest change in the swelling of the battery cell before and after the end of cycling. In addition or alternatively, the sensor target position can be a location on the first and preferably second battery cell that has a greatest surface pressure and/or a greatest change in the surface pressure generated by the interior of the battery cell on the battery cell wall, preferably after the end of cycling. The surface pressure refers to a pressure, i.e. a force per area, that the battery cell exerts on a wall of the battery cell due to the swelling behavior.

Diese Stellen eignen sich besonders gut als Sensor-Sollposition, da sie eine besonders große Aussagekraft über den Alterungszustand der Batteriezelle ermöglichen. Außerdem ist es einfacher einen Messwert an einer Sensor-Sollposition zu ermitteln, an der das Schwellverhalten einen möglichst großen Unterschied zwischen BoL- und EoL-Messwert aufweist. These locations are particularly suitable as target sensor positions because they provide particularly good information about the aging state of the battery cell. It is also easier to determine a measured value at a target sensor position where the threshold behavior shows the greatest possible difference between the BoL and EoL measured values.

Die Sensor-Sollposition kann vorzugsweise einem Teilbereich einer äußeren Wandung der Batteriezelle entsprechen. Die Sensor-Sollposition kann bevorzugt einer Fläche einer äußeren Wandung der Batteriezelle entsprechen, die kleiner als 20 %, weiter vorzugsweise kleiner als 10%, weiter vorzugsweise kleiner als 5 % einer Gesamtaußenfläche der Batteriezelle ist. Vorteilhaft muss nur ein kleiner Teilbereich der Zellwandung im Hinblick auf das Schwellverhalten überwacht werden. Die Sensorik hierfür kann entsprechend baulich kompakt ausgeführt sein. The sensor target position can preferably correspond to a partial area of an outer wall of the battery cell. The sensor target position can preferably correspond to an area of an outer wall of the battery cell that is smaller than 20%, more preferably smaller than 10%, more preferably smaller than 5% of a total outer surface of the battery cell. Advantageously, only a small partial area of the cell wall needs to be monitored with regard to the swelling behavior. The sensors for this can be designed to be compact.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens ein Kraft-, Druck und/oder Flächenpressung-Sensor und/oder ein Sensor zur Kraftmessung zwischen zwei Flächen sein. Mit derartigen Sensoren kann insbesondere ein lokales geometrisches Ausdehnungsverhalten der Batteriezelle besonders einfach gemessen werden. Die Überwachung nicht geometrischer Zustandsgrößen, z. B. des Innenwiderstands, kann ebenfalls durch derartige Sensoren erfolgen, indem entsprechende Zuordnungstabellen, z. B. welche Flächenpressung an einer bestimmten Stelle, einem bestimmten Innenwiderstand entspricht, hinterlegt werden. Solche Zuordnungstabellen können etwa im Rahmen der Ermittlung der ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens erstellt werden. In a further advantageous embodiment, the sensor for detecting the swelling behavior can be a force, pressure and/or surface pressure sensor and/or a sensor for measuring force between two surfaces. With such sensors, in particular, a local geometric expansion behavior of the battery cell can be measured particularly easily. Monitoring non-geometric state variables, e.g. the internal resistance, can also be carried out by such sensors by storing corresponding assignment tables, e.g. which surface pressure at a certain point corresponds to a certain internal resistance. Such assignment tables can be created, for example, as part of determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens als Foliensensor und/oder als ein Sensor ausgeführt sein, der vorzugsweise eine Dicke von kleiner 1 mm aufweist, weiter vorzugsweise eine Dicke von kleiner 0,5 mm aufweist. Derartige Sensoren lassen sich besonders einfach in das Design des Batteriemoduls integrieren, insbesondere wenn die Batteriezellen einen Batteriezellenstapel bilden und der Sensor zwischen zwei benachbarte Batteriezellen angeordnet wird. Außerdem ist der Bauraum den ein solcher Sensor benötigt klein, sodass die Ladungsdichte, d. h. die Ladekapazität pro Volumen des elektrischen Energiespeichers, z. B. des Batteriemoduls, nicht oder nicht wesentlich reduziert wird. According to a further embodiment, the sensor for detecting the swelling behavior can be designed as a film sensor and/or as a sensor that preferably has a thickness of less than 1 mm, more preferably a thickness of less than 0.5 mm. Such sensors can be particularly easily integrated into the design of the battery module, in particular when the battery cells form a battery cell stack and the sensor is arranged between two adjacent battery cells. In addition, the installation space required by such a sensor is small, so that the charge density, ie the charge capacity per volume of the electrical energy storage device, e.g. the battery module, is not or not significantly reduced.

Zusätzlich oder alternativ kann der Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens ein Sensorschalter sein. Der Sensorschalter weist zwei Leiter auf, die sich nur dann berühren, wenn eine Schwellung der Batteriezelle einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert kann z. B. überschritten werden, wenn die die Batteriezelle eine maximal zulässige Ausdehnung der Batteriezelle erreicht oder einen Grenzwert, der um einen vorbestimmten Sicherheitspuffer unterhalb der maximal zulässigen Ausdehnung liegt. Einer der beiden Leiter kann dazu an der Batteriezelle und der andere Leiter beispielsweise an einer der Batteriezelle gegenüberliegenden Wandung eines Modulgehäuses oder benachbarten Batteriezelle angeordnet sein. Entsprechende Leiter können beispielsweise Drähte oder Folien aus Metall sein. Sobald sich die beiden Leiter berühren, wird ein Signal ausgegeben. Daher kann auf diese Weise besonders einfach überwacht werden, ob ein Grenzwert für die Ausdehnung der Batteriezelle überschritten wird. Additionally or alternatively, the sensor for detecting the swelling behavior can be a sensor switch. The sensor switch has two conductors that only touch when swelling of the battery cell exceeds a predetermined threshold. This threshold can be exceeded, for example, if the battery cell reaches a maximum permissible expansion of the battery cell or a limit value that is a predetermined safety buffer below the maximum permissible expansion. One of the two conductors can be arranged on the battery cell and the other conductor, for example, on a wall of a module housing or neighboring battery cell opposite the battery cell. Corresponding conductors can be, for example, wires or metal foils. As soon as the two conductors touch, a signal is emitted. This makes it particularly easy to monitor whether a limit value for the expansion of the battery cell is exceeded.

Weiter zusätzlich oder alternativ kann der Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens ausgebildet sein, ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches direkt oder nur mit einfachen Operationsverstärkerschaltungen mit einem Mikrocontroller gemessen und/oder ausgewertet werden kann. Anders ausgedrückt ist das Messsignal, das vom Sensor ausgegeben wird, ausreichend groß, sodass auf eine aufwendige Verstärkerschaltung verzichtet werden kann. Vorzugsweise beträgt der Unterschied des vom Sensor ausgegebene Messsignals bei Erreichen des EoL mindestens 5%, besonders bevorzugt mindestens 8%, des Messsignals des BoL. Auf diese Weise lässt sich eine kostengünstige Umsetzung des Verfahrens erreichen. In addition or as an alternative, the sensor for detecting the threshold behavior can be designed to generate an output signal that can be measured and/or evaluated directly or only with simple operational amplifier circuits with a microcontroller. In other words, the measurement signal that is output by the sensor is sufficiently large so that a complex amplifier circuit is not necessary. Preferably, the difference between the measurement signal output by the sensor when the EoL is reached is at least 5%, particularly preferably at least 8%, of the measurement signal of the BoL. In this way, a cost-effective implementation of the method can be achieved.

Weiter zusätzlich oder alternativ kann der Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens nicht als Dehnungsmessstreifen ausgeführt sein. Dehnungsmessstreifen und deren Implementierung sind in der Praxis zwar hinlänglich bekannt und ermöglichen eine sehr genaue Messung von geometrischen Veränderungen, benötigen aber teure Zusatzkomponenten, z. B. aufwendige Verstärkerschaltungen, für einen zuverlässigen Betrieb. Außerdem ist der Einbau solcher Dehnungsmessstreifen in ein Batteriemodul vergleichsweise aufwendig, da sie beispielsweise vollflächig mit der Batteriezelle verklebt werden müssen. Der Verzicht auf Dehnungsmessstreifen ermöglicht daher eine besonders wirtschaftliche Umsetzung des vorgestellten Verfahrens. Die Zyklisierung der ersten Batteriezelle erfolgt dabei vorzugsweise unter Bedingungen, die denen bei einem Betrieb eines elektrischen Energiespeichers, z. B. Batteriemoduls, das solche Batteriezellen umfasst, nachempfunden sind. Dazu kann auf die Batteriezelle während der Zyklisierung beispielsweise ein bestimmter Druck ausgeübt werden, der einem Druck entspricht, der durch ein Gehäuse des Energiespeichers oder Batteriemoduls ausgeübt werden würde. Vorteilhaft kann die erste Batteriezelle dabei einzeln vermessen werden kann, ohne dass sie dabei in einem Batteriemodul verbaut ist. In addition or as an alternative, the sensor for detecting the swelling behavior cannot be designed as a strain gauge. Strain gauges and their implementation are well known in practice and enable very precise measurement of geometric changes, but they require expensive additional components, e.g. complex amplifier circuits, for reliable operation. In addition, the installation of such strain gauges in a battery module is comparatively complex, since they have to be glued to the battery cell over their entire surface, for example. The omission of strain gauges therefore enables a particularly economical implementation of the method presented. The cycling of the first battery cell preferably takes place under conditions that are modeled on those during operation of an electrical energy storage device, e.g. a battery module that includes such battery cells. For this purpose, a certain pressure can be exerted on the battery cell during cycling, for example, which corresponds to a pressure that would be exerted by a housing of the energy storage device or battery module. The first battery cell can advantageously be measured individually without being installed in a battery module.

Die vorgenannten Bedingungen, insbesondere der Druck auf die erste Batteriezelle, kann z. B. durch Verspannen mittels einer Einspannvorrichtung, z. B. umfassend einen Rahmens und eine Krafterzeugungseinheit, die eine gewünschte Verspannkraft auf den Rahmen und damit auf die erste Batteriezelle erzeugt, hergestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst daher das Ermitteln der ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens der ersten Batteriezelle während und/oder am Ende der Zyklisierung der ersten Batteriezelle ein Verspannen der ersten Batteriezelle in einer Einspannvorrichtung, vorzugsweise umfassend einem Rahmen, beispielsweise einen Gummirahmen. Durch das Verspannen in einer Einspannvorrichtung kann die Versuchsbedingung während der Ermittlung des ortsaufgelösten Schwellverhaltens besonders gut kontrolliert werden. Der Rahmen kann beispielsweise entlang von Kanten einer prismatischen Batteriezelle verlaufen. Ein solcher Rahmen kann besonders gut verwendet werden, um die Batteriezelle derart zu positionieren, dass der Batteriezelle genügend Raum zur Volumenausdehnung bereitsteht, sodass ein möglichst unverfälschtes Ermitteln der ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens möglich ist. Der Vorteil einer Verwendung von elastischem Material erlaubt eine besonders sichere Fixierung der Batteriezelle, ohne die Ummantelung der Batteriezelle zu beschädigen. Außerdem kann die durch die Verspannung auf die Batteriezelle übertragene Kraft präzise kontrolliert werden. The aforementioned conditions, in particular the pressure on the first battery cell, can be created, for example, by clamping using a clamping device, e.g. comprising a frame and a force generating unit that generates a desired clamping force on the frame and thus on the first battery cell. According to a further embodiment, determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior of the first battery cell during and/or at the end of the cycling of the first battery cell therefore comprises clamping the first battery cell in a clamping device, preferably comprising a frame, for example a rubber frame. By clamping in a clamping device, the test condition can be controlled particularly well during the determination of the spatially resolved swelling behavior. The frame can, for example, run along edges of a prismatic battery cell. Such a frame can be used particularly well to position the battery cell in such a way that the battery cell has enough space for volume expansion, so that the spatially resolved distribution of the swelling behavior can be determined as accurately as possible. The advantage of using elastic material allows the battery cell to be fixed particularly securely without damaging the battery cell casing. In addition, the force transferred to the battery cell by the tension can be precisely controlled.

Zudem oder alternativ kann das Ermitteln der ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens der ersten Batteriezelle während und/oder am Ende der Zyklisierung der ersten Batteriezelle, die Zyklisierung der ersten Batteriezelle bis zum Lebensende und nach Erreichung des Lebensendes, das Messen einer Schwellkraft pro Flächeneinheit auf ein Gehäuse der ersten Batteriezelle und/oder das Messen einer Volumenausdehnung der ersten Batteriezelle an mehreren Messstellen umfassen. An jeder Messstelle wird jeweils ein Wert bzw. ein zeitlicher Verlauf des Schwellverhaltens gemessen. In addition or alternatively, determining the spatially resolved distribution of the swelling behavior of the first battery cell during and/or at the end of the cycling of the first battery cell can include cycling the first battery cell until the end of its life and after reaching the end of its life, measuring a swelling force per unit area on a housing of the first battery cell and/or measuring a volume expansion of the first battery cell at several measuring points. A value or a temporal progression of the swelling behavior is measured at each measuring point.

Die mehreren Messstellen sind dabei vorzugsweise rasterförmig, beispielsweise matrixartig, angeordnet und/oder decken mindestens 80% einer Fläche einer Gehäuseseite der ersten Batteriezelle ab. Die mehreren Messstellen sind an der(den) Gehäuseseite(n) angeordnet, die das größte Swelling aufweist(aufweisen), d. h. an der(denen) sich das Swelling vorwiegend äußert. Das Swelling erfolgt vorwiegend normal zur Elektrodenstapel- bzw. Elektrodenwickelfläche. An dieser Seite ist die Volumenausdehnung bzw. Schwellkraft pro Flächeneinheit typischerweise besonders gut messbar. Die Abdeckung der Fläche gibt an, von welchem Anteil dieser Gehäuseseite das ortsaufgelöste Schwellverhalten ermittelt wird. Die Ortsauflösung ist umso besser, je mehr Messstellen bei gleichbleibender Abdeckung verwendet werden. The multiple measuring points are preferably arranged in a grid-like manner, for example in a matrix-like manner, and/or cover at least 80% of an area of a housing side of the first Battery cell. The multiple measuring points are arranged on the housing side(s) that have the greatest swelling, i.e. on which the swelling is predominantly evident. The swelling occurs predominantly normal to the electrode stack or electrode winding surface. On this side, the volume expansion or swelling force per unit area is typically particularly easy to measure. The coverage of the area indicates which portion of this housing side the spatially resolved swelling behavior is determined from. The spatial resolution is better the more measuring points are used with the same coverage.

Die Zyklisierung bis zum Lebensende ermöglicht eine Auswahl einer besonders aussagekräftigen Sensor-Sollposition, da in diesem Fall bekannt wird, welche Stelle der Batteriezelle das Erreichen des Lebensendes besonders gut anzeigt. Grundsätzlich kann die Zyklisierung auch vor Erreichen des Lebensendes gestoppt und das ortsaufgelöste Schwellverhalten ermittelt werden. Das ortsaufgelöste Schwellverhalten, sowie benötigte Werte am Lebensende, können durch Extrapolation der ermittelten Verteilung zum Lebensende hin erfolgen. Eine Zyklisierung bis zum Lebensende der Batteriezelle macht es allerdings möglich auf eine Extrapolation zu verzichten und ermöglicht daher besonders zuverlässige Messergebnisse. Cycling until the end of life enables a particularly meaningful sensor target position to be selected, since in this case it is known which point on the battery cell indicates the end of life particularly well. In principle, cycling can also be stopped before the end of life is reached and the spatially resolved threshold behavior determined. The spatially resolved threshold behavior, as well as the values required at the end of life, can be determined by extrapolating the determined distribution towards the end of life. Cycling until the end of life of the battery cell, however, makes it possible to forego extrapolation and therefore enables particularly reliable measurement results.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Sensor-Sollposition als die Messstelle ausgewählt, die von allen Messstellen eine größte Schwellkraft pro Flächeneinheit und/oder eine größte Volumenausdehnung aufweist. Diese Stellen haben eine besonders große Aussagekraft bezüglich des Alterungszustands der Batteriezelle. Außerdem ermöglicht eine große Änderung in der Schwellkraft pro Flächeneinheit bzw. der Volumenausdehnung eine große Änderung des Messsignals für den Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens, sodass ein weniger empfindlicher Sensor verwendet werden kann, bzw. das Sensorsignal ohne aufwendige Aufbereitung verwendet werden kann. In a preferred embodiment, the sensor target position is selected as the measuring point that has the largest threshold force per unit area and/or the largest volume expansion of all measuring points. These points are particularly informative with regard to the aging state of the battery cell. In addition, a large change in the threshold force per unit area or the volume expansion enables a large change in the measurement signal for the sensor to record the threshold behavior, so that a less sensitive sensor can be used or the sensor signal can be used without complex processing.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt, dass, abhängig von dem an der Sensor-Sollposition bestimmten Schwellverhalten der ersten Batteriezelle am Ende der Zyklisierung, ein Grenzwert für den Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens bestimmt wird, der ein Erreichen eines Lebensendes der ersten und/oder zweiten Batteriezellen anzeigt. Das bedeutet, dass bestimmt wird, welchen Messwert der an der Sensor-Sollposition angeordnete Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens ausgibt, wenn das Lebensende der Batteriezelle erreicht wird. Bevorzugt kann der Grenzwert etwas niedriger angesetzt werden als er am tatsächlichen Lebensende sein würde, um eine zusätz- liehe Sicherheitsmarge bis zum tatsächlichen Lebensende zur Verfügung zu haben. Dies ermöglicht eine besonders einfache Überwachung und damit einen besonders sicheren Betrieb des hergestellten Batteriemoduls. According to a further advantageous embodiment, the method further comprises the step of determining a limit value for the sensor for detecting the threshold behavior, which indicates that the first and/or second battery cells have reached the end of their life, depending on the threshold behavior of the first battery cell determined at the sensor target position at the end of the cycling. This means that it is determined which measured value the sensor arranged at the sensor target position for detecting the threshold behavior outputs when the end of the battery cell's life is reached. Preferably, the limit value can be set somewhat lower than it would be at the actual end of life in order to provide additional to have a sufficient safety margin until the actual end of life. This enables particularly simple monitoring and thus particularly safe operation of the battery module produced.

In vielen Fällen ist es ausreichend, dass ein zuvor definierter Grenzwert an einer einzigen Stelle der Batteriezelle erreicht wird, damit die Batteriezelle ihr Lebensende erreicht. Es ist vorteilhaft in diesem Fall eine Sensor-Sollposition auszuwählen, an der eine solche lokale Grenzwertüberschreitung zuerst erfolgt, beispielsweise der maximal erlaubten Druck der Batteriezelle auf eine Wandung. In many cases, it is sufficient for a previously defined limit to be reached at a single point on the battery cell for the battery cell to reach the end of its life. In this case, it is advantageous to select a sensor target position at which such a local limit violation first occurs, for example the maximum permissible pressure of the battery cell on a wall.

In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst die Herstellung des Batteriemoduls die Bereitstellung einer Steuerungseinheit, die in Signalverbindung mit dem Sensor steht und die eingerichtet ist, abhängig von den Sensorsignalen den Grenzwert für den Sensor zu überwachen. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise ein Warnsignal ausgeben, wenn der Grenzwert erreicht ist, oder wenn sich das Sensorsignal dem Grenzwert annähert, damit der Benutzer rechtzeig darüber Bescheid weiß, dass das Batteriemodul ersetzt werden sollte. Die Steuerungseinheit kann dem sog. Batterie-Management-System (BMS) oder der Batterie-Management-Einheit (engl. Battery management unit (BMU)) oder einem Batteriemodul-Controller entsprechen oder jeweils eine Teilfunktionalität hiervon ausbilden. In a further embodiment, the manufacture of the battery module includes the provision of a control unit that is in signal connection with the sensor and that is set up to monitor the limit value for the sensor depending on the sensor signals. The control unit can, for example, issue a warning signal when the limit value is reached or when the sensor signal approaches the limit value so that the user knows in good time that the battery module should be replaced. The control unit can correspond to the so-called battery management system (BMS) or the battery management unit (BMU) or a battery module controller, or form a partial functionality of each of these.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, das Batteriemodul abzuschalten, wenn der Grenzwert des Sensorsignals überschritten wird, und damit angezeigt wird, dass ein sicherer Betrieb des Batteriemoduls nicht mehr möglich ist. Weiter bevorzugt kann die Steuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die Entladetiefe, engl. „depth of discharge, DoD“, d. h. den Abstand zwischen einem minimalen und einem maximalen Ladezustand, des Batteriemoduls zu verringern, wenn sich das Sensorsignal dem Grenzwert nähert. Auf diese Weise kann in vielen Fällen die Lebensdauer des Batteriemoduls verlängert werden. In a further embodiment, the control unit can be designed to switch off the battery module when the limit value of the sensor signal is exceeded, thereby indicating that safe operation of the battery module is no longer possible. The control unit can also preferably be designed to reduce the depth of discharge (DoD), i.e. the distance between a minimum and a maximum state of charge, of the battery module when the sensor signal approaches the limit value. In this way, the service life of the battery module can be extended in many cases.

Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung wird ein Speicher für elektrische Energie, z. B. ein Batteriemodul zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug, bereitgestellt, wobei der Speicher für elektrische Energie mit dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Einen weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Speicher für elektrische Energie, z. B. ein Batteriemodul zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug. Das Speicher für elektrische Energie umfasst eine oder mehrere Batteriezellen, wobei an mindestens einer der einen oder der mehreren Batteriezellen ein Sensor zur Erfassung eines Schwellverhaltens der Batteriezelle an einer vorbestimmten Sensor-Sollposition angeordnet ist. Die Sensor-Sollposition ist vorzugsweise jeweils eine Stelle der Batteriezellen, die eine für eine Alterung und/oder Sicherheitsbewertung repräsentative Stelle ist, und/oder die ein Schwellverhalten aufweist, aus dem eine Zellalterung und/oder eine Erreichung eines Lebensende-, EoL-Zustands der Batteriezelle ableitbar ist. Zudem oder alternative kann die Sensor-Sollposition eine Stelle der Batteriezellen sein, die das größte Schwellverhalten und/oder die eine größte Flächenpressung, welche vom Batteriezellen-Innern auf die Batteriezellenwandung erzeugt wird, aufweist, vorzugsweise nach Ende der Zyklisierung. Ob z. B. das größte Schwellverhalten oder die größte Flächenpressung vorteilhafter für die Wahl der Sensor-Sollposition ist, hängt z. B. von der Steifigkeit einer Einspannung der Batteriezelle ab. Bei einer steiferen Einspannung wird eine Ausdehnung der Batteriezelle behindert, sodass sich eine hohe Flächenpressung ausbildet. Bei einer weicheren Einspannung kann sich die Batteriezelle mit weniger Widerstand geometrisch ausdehnen, sodass die Änderung der Flächenpressung geringer ausfällt. According to a second general aspect of the present disclosure, an electrical energy storage device, e.g. a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle, is provided, wherein the electrical energy storage device is manufactured using the method described above. A further aspect of the present disclosure relates to a storage device for electrical energy, e.g. a battery module for providing electrical traction energy for a vehicle. The storage device for electrical energy comprises one or more battery cells, wherein a sensor for detecting a swelling behavior of the battery cell is arranged on at least one of the one or more battery cells at a predetermined sensor target position. The sensor target position is preferably a location on the battery cells that is a location representative of aging and/or safety assessment, and/or that has a swelling behavior from which cell aging and/or the reaching of an end of life, EoL state of the battery cell can be derived. Additionally or alternatively, the sensor target position can be a location on the battery cells that has the greatest swelling behavior and/or the greatest surface pressure generated from the interior of the battery cell on the battery cell wall, preferably after the end of cycling. Whether e.g. For example, whether the greatest swelling behavior or the greatest surface pressure is more advantageous for the selection of the sensor target position depends on the rigidity of the clamping of the battery cell. With a stiffer clamping, the battery cell is prevented from expanding, so that a high surface pressure is formed. With a softer clamping, the battery cell can expand geometrically with less resistance, so that the change in the surface pressure is smaller.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann an der einen oder den mehreren Batteriezellen jeweils höchstens ein Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens angebracht sein. In a further advantageous embodiment, at most one sensor for detecting the swelling behavior can be attached to the one or more battery cells.

Gemäß einem weiteren allgemeinen Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung wird ein Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, aufweisend ein Batteriemodul wie zuvor beschrieben bereitgestellt. According to a further general aspect of the present disclosure, a vehicle, preferably a motor vehicle, comprising a battery module as described above is provided.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Fahrzeug als Nutzfahrzeug ausgeführt. In letztgenanntem Fall kann es sich bei dem Fahrzeug mit anderen Worten um ein Kraftfahrzeug handeln, das durch seine Bauart und Einrichtung zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um einen Lastkraftwagen, einen Omnibus und oder einen Sattelzug handeln, der zumindest teilweise elektrisch angetrieben ist. In a preferred embodiment, the vehicle is designed as a commercial vehicle. In the latter case, the vehicle can be a motor vehicle which, due to its design and equipment, is designed to transport people, transport goods or tow trailers. For example, the vehicle can be a truck, a bus and/or a semitrailer which is at least partially electrically powered.

Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein und umgekehrt. Die vorge- nannten im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile, Aspekte und erfindungsgemäßen Merkmale, insbesondere bezüglich der Sensor-Sollposition sowie der Ausgestaltung des Sensors zur Erfassung des Schwellverhaltens, gelten somit auch für die Vorrichtung. To avoid repetition, features disclosed purely in accordance with the method should also be considered as disclosed in accordance with the device and be claimable and vice versa. The advantages, aspects and features according to the invention described in connection with the method, in particular with regard to the sensor target position and the design of the sensor for detecting the swelling behavior, therefore also apply to the device.

Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: The preferred embodiments and features of the invention described above can be combined with one another as desired. Further details and advantages of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. They show:

Figur 1 ein Flussdiagramm zur Illustration des Verfahrens zur Herstellung eines Batteriemoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Figure 1 is a flow chart illustrating the method for producing a battery module according to an embodiment of the invention;

Figur 2a eine schematische Darstellung einer ersten Batteriezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Figure 2a is a schematic representation of a first battery cell according to a further embodiment of the invention;

Figur 2b illustriert schematisch eine ermittelte ortsaufgelöste Verteilung eines Schwellverhaltens einer ersten Batteriezelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Figure 2b schematically illustrates a determined spatially resolved distribution of a swelling behavior of a first battery cell according to a further embodiment of the invention;

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und Figure 3 is a schematic representation of a battery module according to a further embodiment of the invention; and

Figur 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Batteriezelle und einer Steuerungseinheit eines Batteriemoduls gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Figure 4 is a schematic representation of a second battery cell and a control unit of a battery module according to a further embodiment of the invention.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, sodass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden. The embodiments shown in the figures correspond at least partially, so that similar or identical parts are provided with the same reference numerals and for their explanation reference is also made to the description of the other embodiments or figures in order to avoid repetition.

Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration eines Verfahrens 1 zur Herstellung eines Batteriemoduls mit einer oder mit mehreren Batteriezellen, vorzugsweise zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug. Figure 1 shows a flow chart to illustrate a method 1 for producing a battery module with one or more battery cells, preferably for providing electrical traction energy for a vehicle.

Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Ak- kumulatoren, sich beim Ladevorgang ausdehnen, wodurch es zu einem Volumenzuwachs der Zelle kommt. Beim Entladevorgang geht dieser Volumenzuwachs bis auf einen kleinen irreversiblen Anteil wieder zurück. Der irreversible Anteil des Volumenzuwachses wird als Schwellverhalten, engl. „Swelling“ bezeichnet, der reversible Anteil als „Breathing“. Das Ausmaß des Swellings ist ein Indikator für den Alterungszustand „SoH“ (engl. für State of Health) der Zellen. It has already been established above that battery cells, such as lithium-ion batteries, expand during the charging process, which leads to an increase in the volume of the cell. During the discharge process, this volume increase decreases again, except for a small irreversible portion. The irreversible portion of the volume increase is called swelling, the reversible portion is called breathing. The extent of the swelling is an indicator of the aging state of health (SoH) of the cells.

Es ist von Vorteil, Batteriezellen mit einer Überwachung des Alterungszustandes auszustatten, um zu erkennen, wann die Batteriezelle ihr Lebensende „EoL“ (engl. für End of Life) erreicht hat, das heißt ab wann der Alterungszustand der Batteriezelle soweit zugenommen hat, dass eine sichere sowie wirtschaftlich sinnvolle Nutzung der Batteriezelle nicht mehr möglich ist. It is advantageous to equip battery cells with an ageing monitoring system in order to detect when the battery cell has reached its end of life (EoL), i.e. when the ageing state of the battery cell has increased to such an extent that safe and economically viable use of the battery cell is no longer possible.

Dazu wird in Schritt S10 des vorgestellten Verfahrens 1 eine ortsaufgelöste Verteilung eines Schwellverhaltens einer ersten Batteriezelle während und/oder am Ende einer Zyklisierung ermittelt. Eine Zyklisierung bezeichnet das wiederholte Laden und Entladen von Batteriezellen z. B. in einem Teststand im Rahmen der Entwicklungsarbeit an neuen oder verbesserten Batteriemodulen. For this purpose, in step S10 of the method 1 presented, a spatially resolved distribution of a threshold behavior of a first battery cell is determined during and/or at the end of a cyclization. A cyclization refers to the repeated charging and discharging of battery cells, e.g. in a test bench as part of the development work on new or improved battery modules.

Anhand der ermittelten ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens wird in Schritt S20 diejenige Stelle (Position) an der Batteriezelle, vorzugsweise an deren äußeren Zellwandung, ermittelt, die ein Schwellverhalten aufweist, anhand dem der Alterungszustand, insbesondere ein EoL-Zustand der Batteriezelle, besonders zuverlässig ermittelt und überwacht werden kann. Diese so ermittelte Stelle (Position) wird als Sensor-Sollposition ausgewählt, um dort einen Sensor zur Überwachung des Schwellverhaltens anzuordnen, wenn nachfolgend Batteriemodule mit Batteriezellen vom gleichen Typ wie die erste Batteriezelle sind oder mit Batteriezellen, für die die zuvor ortsaufgelöste Verteilung des Schwellverhaltens ebenfalls gültig ist, hergestellt werden (Schritt S30). Die Batteriezellen des Batteriemoduls werden auch als zweite Batteriezellen bezeichnet. Die Bezeichnungen „erste Batteriezelle“ und „zweite Batteriezelle“ dienen lediglich der Unterscheidbarkeit der beiden Komponenten und beziehen sich nicht auf eine Reihenfolge oder auf eine Anzahl. Insbesondere umfasst das in Schritt S30 hergestellte Batteriemodul möglicherweise mehrere zweite Batteriezellen. Based on the determined spatially resolved distribution of the swelling behavior, in step S20 the location (position) on the battery cell, preferably on its outer cell wall, is determined which has a swelling behavior based on which the aging state, in particular an EoL state of the battery cell, can be determined and monitored particularly reliably. This location (position) determined in this way is selected as the sensor target position in order to arrange a sensor there for monitoring the swelling behavior if battery modules with battery cells of the same type as the first battery cell or with battery cells for which the previously spatially resolved distribution of the swelling behavior is also valid are subsequently manufactured (step S30). The battery cells of the battery module are also referred to as second battery cells. The terms “first battery cell” and “second battery cell” serve only to distinguish the two components and do not refer to a sequence or a number. In particular, the battery module manufactured in step S30 may comprise several second battery cells.

Mithilfe des vorgestellten Verfahrens 1 kann eine kostengünstige Überwachung des Alterungszustands von Batteriemodulen vorgenommen werden, da nur ein einzelner Sensor zur Überwachung einer Batteriezelle benötigt wird. Die Überwachung ist dennoch zuverlässig, da der Sensor an einer zuvor ausgewählten Sensor-Sollposition angeordnet ist, die eine ausreichende Aussagekraft für den Alterungszustand der gesamten Batteriezelle aufweist. Die beiden Schritte S10 und S20 werden im Folgenden anhand der Figur 2a und 2b näher erläutert. Using the method 1 presented, the aging state of battery modules can be monitored cost-effectively, since only a single sensor is needed to monitor a battery cell. The monitoring is nevertheless reliable, since the sensor is arranged at a previously selected target sensor position, which has sufficient significance for the aging state of the entire battery cell. The two steps S10 and S20 are explained in more detail below using Figures 2a and 2b.

Figur 2a zeigt eine erste Batteriezelle 4 während oder am Ende einer Zyklisierung. Vorzugsweise ist die erste Batteriezelle 4 eine prismatische Batteriezelle (wie dargestellt) oder eine Pouch-Zelle. Die erste Batteriezelle 4 ist eine Batteriezelle, die sich bedingt durch mindestens einen Lade- und/oder Entladevorgang ausdehnt, somit ihren Zustand von einem nicht-ausgedehnten Zustand zu einem ausgedehnten Zustand wechseln kann und umgekehrt. Das Schwellverhalten der ersten Batteriezelle 4 fällt dabei für verschiedene Stellen der ersten Batteriezelle 4 nicht zwangsweise überall gleich stark aus, sondern kann sich für verschiedene Stellen der ersten Batteriezelle 4 unterscheiden. Figure 2a shows a first battery cell 4 during or at the end of a cycling process. The first battery cell 4 is preferably a prismatic battery cell (as shown) or a pouch cell. The first battery cell 4 is a battery cell that expands as a result of at least one charging and/or discharging process, and can therefore change its state from a non-expanded state to an expanded state and vice versa. The swelling behavior of the first battery cell 4 is not necessarily the same everywhere for different locations on the first battery cell 4, but can differ for different locations on the first battery cell 4.

Die erste Batteriezelle 4 kann beispielsweise in einem (nicht dargestellten) Batterieteststand, vorzugsweise mithilfe eines Rahmens 11 , verspannt angeordnet sein. Der Rahmen kann Teil einer Einspannvorrichtung (sog. „Zelljig“) sein (siehe unten). The first battery cell 4 can, for example, be arranged in a battery test stand (not shown), preferably clamped using a frame 11. The frame can be part of a clamping device (so-called “cell jig”) (see below).

Besonders vorteilhafte und genaue Messergebnisse können erzielt werden, wenn die Zyklisierung der ersten Batteriezelle 4 dabei vorzugsweise unter Bedingungen erfolgt, die denen bei einem Betrieb eines elektrischen Energiespeichers, z.B. Batteriemoduls, nachempfunden sind, in dem eine oder mehrere solche Batteriezellen verbaut sind. Dazu kann auf die erste Batteriezelle 4 während der Zyklisierung beispielsweise ein bestimmter Druck ausgeübt werden, der einem Druck entspricht, der durch ein Gehäuse des Batteriemoduls ausgeübt werden würde. Das Verfahren ermöglicht es, dass die erste Batteriezelle 4 einzeln vermessen werden kann, ohne dass sie dabei in einem Batteriemodul verbaut ist. Particularly advantageous and precise measurement results can be achieved if the cycling of the first battery cell 4 preferably takes place under conditions that are modeled on those during operation of an electrical energy storage device, e.g. battery module, in which one or more such battery cells are installed. For this purpose, a certain pressure can be exerted on the first battery cell 4 during cycling, for example, which corresponds to a pressure that would be exerted by a housing of the battery module. The method makes it possible for the first battery cell 4 to be measured individually without it being installed in a battery module.

Zur Durchführung des Schritts S10 sollte der Batterieteststand und z. B. die Einspannvorrichtung für die erste Batteriezelle 4 daher vorzugsweise so ausgelegt sein, dass diese der Verbausituation einer (weiteren) Batteriezelle in einem Energiespeicher bzw. Batteriemodul möglichst ähnlich oder exakt nachgebildet sind. Dies ist vorteilhaft da die resultierende Flächenpressung von Eigenschaften der Batteriezelle (Schwellverhalten, Steifigkeit) und Eigenschaften der Einspannung/Einbausituation abhängt. Aus der Praxis sind bereits entsprechende Einspannvorrichtungen (sog. „Zelljig“ bekannt), mit denen Steifigkeitseigenschaften des Batteriemoduls bzw. Modulgehäuses erzeugt und/oder nachempfunden werden können. Vorteilhaft kann eine solche Einspannvorrichtung während der Zyklisierung verwendet werden. Eine solche Einspannvorrichtung kann lediglich beispielhaft steife Platten, z. B. aus Stahl und / oder Aluminium umfassen, sowie Spannschrauben zum Verspannen der ersten Batteriezelle und z. B. des Rahmens 11 zwischen den Platten und zur Erzeugung der Spannkraft. Die Einspannvorrichtung sorgt dafür, dass die nötige Verspannkraft aufgebracht werden kann bzw. die Verspannkraft mit dem Ladezustand in gleicher Weise korreliert, wie im Batteriemodul. Zusätzlich kann die Batteriezelle in einem Gummirahmen verspannt sein, der Teil der Einspannvorrichtung ist oder zusätzlich hierzu vorgesehen ist. Befinden sich im Batteriemodul Zellzwischenlagen zwischen den Batteriezellen bzw. zwischen Batteriezellen und anderen Teilen des Energiespeichers, die eine gewisse Elastizität/Plastizität und ggf. Fenster aufweisen (z.B. „Gappads“, „Rubberframes“), kann dies ebenfalls durch entsprechende Auslegung der Einspannvorrichtung berücksichtigt werden, um während der Zyklisierung dasselbe Schwellverhalten der ersten Batteriezelle 4 zu beobachten, wie es in Batteriemodulen auftritt, in denen vergleichbare Batteriezellen verbaut sind. To carry out step S10, the battery test bench and, for example, the clamping device for the first battery cell 4 should therefore preferably be designed in such a way that they are as similar or as accurate as possible to the installation situation of a (further) battery cell in an energy storage device or battery module. This is advantageous because the resulting surface pressure depends on the properties of the battery cell (swelling behavior, stiffness) and the properties of the clamping/installation situation. Appropriate clamping devices (so-called "cell jigs") are already known from practice, with which the stiffness properties of the battery module or module housing can be generated and/or simulated. Such a clamping device can advantageously be used during cycling. Such a clamping device can comprise, for example, rigid plates, e.g. made of steel and/or aluminum, as well as clamping screws for clamping the first battery cell and e.g. of the frame 11 between the plates and for generating the clamping force. The clamping device ensures that the necessary clamping force can be applied or that the clamping force correlates with the state of charge in the same way as in the battery module. In addition, the battery cell can be clamped in a rubber frame that is part of the clamping device or is provided in addition to it. If there are cell intermediate layers in the battery module between the battery cells or between battery cells and other parts of the energy storage device that have a certain elasticity/plasticity and possibly windows (e.g. “gappads”, “rubber frames”), this can also be taken into account by designing the clamping device accordingly in order to observe the same swelling behavior of the first battery cell 4 during cycling as occurs in battery modules in which comparable battery cells are installed.

In der Figur 2a ist die Kraft F, die auf die erste Batteriezelle 4 beim Zyklisieren ausgeübt wird, durch Pfeile auf beiden Seiten der ersten Batteriezelle 4 angedeutet. Die Kraft F wirkt vorzugsweise gleichmäßig auf den gesamten Rahmen 11. Im Zwischenraum zwischen dem Material des Rahmens 11 kann der ersten Batteriezelle 4 Raum zur Volumenausdehnung bereit stehen, was z. B. der Verwendung von Rubberframes als Zellzwischenlagen im Batteriemodul entspricht. Der Rahmen 11 ist vorzugweise aus elastischem Material, z. B. Gummi. Die Verwendung von elastischem Material bewirkt, dass es eine sichere Fixierung der ersten Batteriezelle 4 ermöglicht wird, ohne die erste Batteriezelle 4 zu beschädigen. In Figure 2a, the force F exerted on the first battery cell 4 during cycling is indicated by arrows on both sides of the first battery cell 4. The force F preferably acts evenly on the entire frame 11. In the space between the material of the frame 11, the first battery cell 4 can have space for volume expansion, which corresponds, for example, to the use of rubber frames as cell interlayers in the battery module. The frame 11 is preferably made of elastic material, e.g. rubber. The use of elastic material means that the first battery cell 4 can be securely fixed without damaging the first battery cell 4.

An dem Gehäuse 12 der ersten Batteriezelle 4 ist vorzugsweise an mindestens einer Gehäuseseite 14 eine flächige Messeinrichtung 17 angeordnet, mit der die ortsaufgelöste Verteilung 3 des Schwellverhaltens entsprechend Schritt S10 der Figur 1 ermittelt werden kann. Die Gehäuseseite 14 entspricht vorzugsweise derjenigen Gehäuseseite 14 an der das Schwellverhalten besonders ausgeprägt ist. Typischerweise entspricht das derjenigen Gehäuseseite 14, die parallel zu den Elektrodenstapeln bzw. parallel zu den Elektrodenwickelflächen der Batteriezelle verläuft, da das Swelling üblicherweise in Normalenrichtung zum Zellwickel/Zellstack stattfindet. Die flächige Messanordnung 17 überdeckt dabei vorzugsweise mindestens 80% der Fläche der Gehäuseseite 14. Besonders bevorzugt wird die gesamte Fläche überdeckt, die die Elektrodenstapel bzw. die Elektrodenwickel im Inneren der ersten Batteriezelle 4 einnehmen, um möglichst sicher ein Maximum des Schwellverhaltens der ersten Batteriezelle 4 zu erfassen. Das Schwellverhalten kann beispielsweise eine Volumenausdehnung der Batteriezelle und/oder eine Flächenpressung, welche vom Batteriezellen-Innerem 8 auf die Batteriezellenwandung 9 ausgeübt wird, sein. Die flächige Messeinrichtung 17 ist z. B. zur Messung einer Flächenpressung ausgebildet und umfasst beispielsweise mehrere Messstellen 13, die vorzugsweise rasterförmig angeordnet sind. Die Messeinrichtung 17 kann hierzu mehrere Sensoren zur Messung einer Flächenpressung umfassen, die jeweils an einer der Messstellen 13 angeordnet sind. An jeder Messstelle 13 wird jeweils ein Wert bzw. ein zeitlicher Verlauf des Schwel Iverhaltens gemessen. In Figur 2b ist das Ergebnis einer Ermittlung der ortsaufgelösten Verteilung 3 des Schwellverhaltens mittels einer flächigen Messeinrichtung 17 zu sehen. A planar measuring device 17 is preferably arranged on at least one housing side 14 of the housing 12 of the first battery cell 4, with which the spatially resolved distribution 3 of the swelling behavior can be determined in accordance with step S10 of Figure 1. The housing side 14 preferably corresponds to the housing side 14 on which the swelling behavior is particularly pronounced. Typically, this corresponds to the housing side 14 that runs parallel to the electrode stacks or parallel to the electrode winding surfaces of the battery cell, since the swelling usually takes place in the normal direction to the cell winding/cell stack. The planar measuring arrangement 17 preferably covers at least 80% of the area of the housing side 14. Particularly preferably, the entire area occupied by the electrode stacks or the electrode windings inside the first battery cell 4 is covered in order to record a maximum of the swelling behavior of the first battery cell 4 as reliably as possible. The swelling behavior can, for example, be a volume expansion of the battery cell and/or a surface pressure exerted by the battery cell interior 8 on the battery cell wall 9. The planar measuring device 17 is designed, for example, to measure a surface pressure and comprises, for example, several measuring points 13, which are preferably arranged in a grid. The measuring device 17 can comprise several sensors for measuring a surface pressure, each of which is arranged at one of the measuring points 13. A value or a temporal progression of the swelling behavior is measured at each measuring point 13. Figure 2b shows the result of determining the spatially resolved distribution 3 of the swelling behavior using a planar measuring device 17.

In der Figur 2b stellt jedes der eingezeichneten Quadrate eine Messstelle 13 dar. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden nur vier der Quadrate mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die einzelnen Messstellen 13 sind beispielsweise rasterförmig entlang der x-Achse und der y- Achse des eingezeichneten Koordinatensystems angeordnet. Die Koordinatensysteme der Figuren 2a und 2b stimmen überein. Die einzelnen Messstellen 13 können quadratisch sein, d. h. in x-Richtung und y-Richtung jeweils gleiche Kantenlängen aufweisen, sie können aber auch anderweitig rechteckig, oval oder ganz anders geformt sein. Die einzelnen Messstellen 13 können dabei unmittelbar aneinander angrenzen oder mit Abständen zwischen den einzelnen Messstellen 13 angeordnet sein. Eine Anordnung, in der die einzelnen Messstellen 13 in einem nicht-rasterförmigem Muster angeordnet sind, ist ebenso möglich. Eine solche flächige Messeinrichtung 17 kann beispielhaft basierend auf dem I-Scan System® der Firma Tekscan® Inc., 333 Providence Highway, Norwood, MA 02062, USA umgesetzt werden. In Figure 2b, each of the squares shown represents a measuring point 13. For better clarity, only four of the squares have been provided with corresponding reference symbols. The individual measuring points 13 are arranged, for example, in a grid pattern along the x-axis and the y-axis of the coordinate system shown. The coordinate systems of Figures 2a and 2b match. The individual measuring points 13 can be square, i.e. have the same edge lengths in the x-direction and y-direction, but they can also be rectangular, oval or have a completely different shape. The individual measuring points 13 can be directly adjacent to one another or can be arranged with spaces between the individual measuring points 13. An arrangement in which the individual measuring points 13 are arranged in a non-grid pattern is also possible. Such a planar measuring device 17 can be implemented, for example, based on the I-Scan System® from Tekscan® Inc., 333 Providence Highway, Norwood, MA 02062, USA.

Abhängig von der mittels der flächigen Messeinrichtung 17 ermittelten ortsaufgelösten Verteilung 3 des Schwellverhaltens wird eine Sensor-Sollposition 5 ausgewählt. Vorzugsweise entspricht die Sensor-Sollposition derjenigen Messstelle 13, die ein Schwellverhalten aufweist, dass am aussagekräftigsten im Vergleichen zu den anderen Messstellen 13 ist, um einen Alterungszustand, vorzugsweise einen EoL-Zustand, der Batteriezelle zu ermitteln. Anders ausgedrückt kann die Sensor-Sollposition 5 eine Stelle der ersten Batteriezelle 4 sein, die eine für eine Alterung und/oder Sicherheitsbewertung der ersten Batteriezelle 4 repräsentative Stelle ist und/oder die ein Schwellverhalten aufweist, aus dem eine Zellalterung und/oder eine Erreichung eines Lebensende-Zustands der ersten Batteriezelle 4 ableitbar ist. Das Lebensende ist eine Bezeichnung für den Zeitpunkt, zu dem zuvor definierte Werte der ersten Batteriezelle 4 durch Alterung unterschritten werden. Diese zuvor definierten Werte werden vom Hersteller der ersten Batteriezelle 4 vorgegeben, oder können durch entsprechende Versuche ermittelt werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Widerstand, eine Stromstärke, eine Restkapazität, eine restliche Energiespeicherfähigkeit, einen Druck im inneren der ersten Batteriezelle 4 oder eine Kraft, z. B. 20 kN, die die erste Batteriezelle 4 auf eine Batteriezellenwandung 9 ausübt. Depending on the spatially resolved distribution 3 of the swelling behavior determined by means of the planar measuring device 17, a sensor target position 5 is selected. The sensor target position preferably corresponds to the measuring point 13 that has a swelling behavior that is most meaningful in comparison to the other measuring points 13 in order to determine an aging state, preferably an EoL state, of the battery cell. In other words, the sensor target position 5 can be a point on the first battery cell 4 that is a point representative of aging and/or safety assessment of the first battery cell 4 and/or that has a swelling behavior from which cell aging and/or reaching an end-of-life state of the first battery cell 4 can be derived. The end of life is a term for the point in time at which previously defined values of the first battery cell 4 are undercut due to aging. These previously defined values are specified by the manufacturer of the first battery cell 4 or can be determined by appropriate tests. This includes, for example, a resistance, a current, a Remaining capacity, a remaining energy storage capacity, a pressure inside the first battery cell 4 or a force, e.g. 20 kN, which the first battery cell 4 exerts on a battery cell wall 9.

Beispielsweise kann eine Stelle als Sensor-Sollposition 5 ausgewählt werden, die am Ende der Zyklisierung das größte Schwel Iverhalten und/oder die eine größte Flächenpressung, welche vom Batteriezellen-Inneren 8 auf die Batteriezellenwandung 9 erzeugt wird, aufweist. Die Flächenpressung bezeichnet einen Druck, das heißt eine Kraft pro Fläche, die die erste Batteriezelle 4 aufgrund des Schwellverhaltens auf eine Wandung der ersten Batteriezelle 4 ausübt. Diese Stellen eigenen sich besonders gut als Sensor-Sollposition, da sie eine besonders große Aussagekraft über den Alterungszustand der restlichen Batteriezelle aufweisen. For example, a location can be selected as the sensor target position 5 which, at the end of the cycling, has the greatest swelling behavior and/or the greatest surface pressure generated by the battery cell interior 8 on the battery cell wall 9. The surface pressure refers to a pressure, i.e. a force per area, which the first battery cell 4 exerts on a wall of the first battery cell 4 due to the swelling behavior. These locations are particularly suitable as sensor target positions because they are particularly informative about the aging state of the rest of the battery cell.

Im in der Figur 2b dargestellten Beispiel stellt die Färbung der jeweiligen Messstellen 13 ein Maß für die Flächenpressung bzw. den Druck am Ende der Zyklisierung dar, der von dem Batteriezellen-Inneren 8 auf die Batteriezellenwandung 9 ausgeübt wird. Eine dunklere Färbung bedeutet eine größere Flächenpressung bzw. einen größeren Druck. Man kann erkennen, dass sich bei dem Punkt (xm, ym) ein Maximum ausgebildet hat. Im in der Figur 2 dargestellten Beispiel wird diese Stelle als Sensor-Sollposition 5 entsprechend Schritt S20 der Figur 1 ausgewählt. Außerdem wird vorzugsweise der Grenzwert ermittelt, den ein Sensor, der an der Sensor-Sollposition 5 angeordnet ist, bei Erreichen des Lebensendes der Batteriezelle 4 anzeigt. In the example shown in Figure 2b, the color of the respective measuring points 13 represents a measure of the surface pressure or the pressure at the end of the cycling that is exerted by the battery cell interior 8 on the battery cell wall 9. A darker color means a greater surface pressure or a greater pressure. It can be seen that a maximum has formed at the point (x m , y m ). In the example shown in Figure 2, this point is selected as the sensor target position 5 in accordance with step S20 of Figure 1. In addition, the limit value that a sensor arranged at the sensor target position 5 indicates when the end of the life of the battery cell 4 is reached is preferably determined.

Neben einer direkten Messung des Schwellverhaltens, z. B. mittels einer ortsaufgelösten Messung der Flächenpressung der ersten Batteriezelle 4, kann dies alternativ beispielsweise mittels einer geometrischen Vermessung der ersten Batteriezelle 4 erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist, die erste Batteriezelle 4 nach der Zyklisierung zu zerlegen und im zerlegten Zustand hinsichtlich des Schwellverhalten zu analysieren. Mittels der im zerlegten Zustand gewonnenen Informationen kann auf die Verteilung 3 des ortsaufgelösten Schwellverhaltens der nichtzerlegten Batteriezelle geschlossen werden. In addition to a direct measurement of the swelling behavior, e.g. by means of a spatially resolved measurement of the surface pressure of the first battery cell 4, this can alternatively be done, for example, by means of a geometric measurement of the first battery cell 4. Another possibility is to disassemble the first battery cell 4 after cycling and to analyze it in the disassembled state with regard to the swelling behavior. Using the information obtained in the disassembled state, conclusions can be drawn about the distribution 3 of the spatially resolved swelling behavior of the non-disassembled battery cell.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, das entsprechend Schritt S30 der Figur 1 hergestellt wurde. Die zweiten Batteriezellen 6 der Figur 3 sind dabei vorzugsweise baugleich mit einer ersten Batteriezelle entsprechend der Schritte S10 und S20 der Figur 1 , anhand der eine Sensor-Sollposition 5 abhängig von der ermittelten ortsaufgelösten Verteilung eines Schwellverhaltens ausgewählt wurde. Die Batteriezellen 6 sind vorzugsweise als Batteriezellenstapel ausgeführt. Die jeweiligen Batteriezellen 6 können z. B. in Serie oder in einer Parallelschaltung verbunden sein, etwa mittels sog. Zellverbinder. Figure 3 shows a schematic representation of a battery module 2 according to an embodiment of the present disclosure, which was manufactured according to step S30 of Figure 1. The second battery cells 6 of Figure 3 are preferably identical in construction to a first battery cell according to steps S10 and S20 of Figure 1, based on which a sensor target position 5 was selected depending on the determined spatially resolved distribution of a threshold behavior. The battery cells 6 are preferably designed as battery cell stacks The respective battery cells 6 can be connected in series or in parallel, for example by means of so-called cell connectors.

In Figur 3 ist ein Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens der zweiten Batteriezelle an der Sensor-Sollposition 5 angeordnet. Der Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens kann beispielsweise ein Kraft-, Druck und/oder Flächenpressung-Sensor sein. Beispielsweise kann der Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens als ein Sensor zur Kraftmessung ausgebildet sein, der die Kraft zwischen zwei Flächen, beispielsweise dem Batteriezellen-Inneren und der Batteriezellenwandung 9 des Gehäuses 12 der zweiten Batteriezelle 6, oder der Batteriezellenwandung 9 und einer daran angrenzenden weiteren Fläche, zum Beispiel der Modulhülle 20 des Batteriemoduls 2, ausgibt. Der Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens weist vorzugsweise folgende Eigenschaften auf: In Figure 3, a sensor 7 for detecting the swelling behavior of the second battery cell is arranged at the sensor target position 5. The sensor 7 for detecting the swelling behavior can be, for example, a force, pressure and/or surface pressure sensor. For example, the sensor 7 for detecting the swelling behavior can be designed as a sensor for measuring force, which outputs the force between two surfaces, for example the battery cell interior and the battery cell wall 9 of the housing 12 of the second battery cell 6, or the battery cell wall 9 and another surface adjacent to it, for example the module casing 20 of the battery module 2. The sensor 7 for detecting the swelling behavior preferably has the following properties:

Empfindlichkeit gegenüber der zu erfassenden Messgröße, z. B. einer Kraft, eines Drucks, einer Flächenpressung und/oder einer geometrischen Ausdehnung, wobei es ausreichend sein kann, dass eine Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts erkannt wird; Sensitivity to the measured quantity to be measured, e.g. a force, a pressure, a surface pressure and/or a geometric expansion, whereby it may be sufficient that an exceedance of a predetermined limit value is detected;

Einnahme von wenig oder vernachlässigbarem Bauraum im Vergleich zum Volumen der Batteriezelle 6 bzw. des Batteriemoduls 2, um eine Verringerung der Energiedichte des Batteriemoduls 2 zu vermeiden; Occupying little or negligible installation space compared to the volume of the battery cell 6 or the battery module 2 in order to avoid a reduction in the energy density of the battery module 2;

Verfügbarkeit in hoher Stückzahl; einfache Integrierbarkeit des Sensors 7 in das Batteriemodul 2; einfache Auswertbarkeit des Sensorsignals, vorzugsweise Auswertbarkeit mit vorhandenen Steuergeräten, z. B. einem Batteriesteuergerät, einem Antriebsstrangsteuergerät und/oder einem Fahrzeugsteuergerät; und Kostengünstigkeit. Availability in large quantities; easy integration of the sensor 7 into the battery module 2; easy evaluation of the sensor signal, preferably evaluation with existing control units, e.g. a battery control unit, a powertrain control unit and/or a vehicle control unit; and cost-effectiveness.

Besonders bevorzugt kann der Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens als Foliensensor und/oder als ein Sensor ausgeführt sein, der vorzugsweise eine Dicke von kleiner 1 mm aufweist, weiter vorzugsweise eine Dicke von kleiner 0,5 mm ausweist. Damit kann der Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens besonders gut an einer flexibel auswählbaren Stelle an der zweiten Batteriezelle 6 angeordnet werden. The sensor 7 for detecting the swelling behavior can particularly preferably be designed as a film sensor and/or as a sensor that preferably has a thickness of less than 1 mm, more preferably a thickness of less than 0.5 mm. The sensor 7 for detecting the swelling behavior can thus be arranged particularly well at a flexibly selectable location on the second battery cell 6.

Im einfachsten Fall kann es ausreichend sein, eine einfache Schwellwertübertretung an einem Punkt der zweiten Batteriezelle 6 vorzunehmen. Der Sensor 7 kann in diesem Fall z. B. als einfacher elektrischer Schalter ausgeführt sein. Besteht ein Batteriemodul 2 aus mehreren zweiten Batteriezellen 6, kann es ausreichend sein, nur an einer zweiten Batteriezelle 6 des Batteriemoduls 2 einen Sensor 7 anzuordnen, wenn beispielsweise die zweite Batteriezelle 6, an der der Sensor 7 angeordnet ist, repräsentativ für das Alterungsverhalten sämtlicher Batteriezellen des Batteriemoduls 2 ist. In the simplest case, it may be sufficient to simply exceed the threshold at one point of the second battery cell 6. In this case, the sensor 7 can be designed as a simple electrical switch, for example. If a battery module 2 consists of several second battery cells 6, it may be sufficient to arrange a sensor 7 only on a second battery cell 6 of the battery module 2 if, for example, the second battery cell 6 on which the sensor 7 is arranged is representative of the aging behavior of all battery cells of the battery module 2.

Für eine einfache und kostengünstige Integrierbarkeit kann die Änderung des Sensorausgangssignals bei Überschreiten einer vorgegebenen Auslöseschwelle vorzugsweise groß genug sein, um direkt oder nach einer Verstärkung mit einfachen Operationsverstärkerschaltungen mit gängigen Mikrocontrollern gemessen bzw. bewertet werden zu können. Für analoge Eingänge eines typischen Mikrocontrollers kann das z. B. bedeuten, dass bei einem Spannungsbereich von 0 - 5 V und einer Auflösung von 8 bit sich das Sensorsignal bzw. das Sensorsignal nach der Operationsverstärkerschaltung, bei Überschreiten der Auslöseschwelle vorzugsweise um mindestens 0,1 V ändert und, dass das Rauschen maximal 20 % dieses Werts beträgt. Für digitale Eingänge eines typischen Mikrocontrollers kann der Unterschied im Messsignal vorzugsweise groß genug sein, dass bei Erreichen der Auslöseschwelle zuverlässig ein Wechsel von „low“ (Messsignal unterhalb der Auslöseschwelle) auf „high“ (Messsignal oberhalb der Auslöseschwelle), oder umgekehrt von „high“ auf „low“, am digitalen Eingang des Mikrocontrollers ausgelöst wird. Dazu beträgt die Änderung z. B. eines Spannungssignals vorzugsweise mindestens 2,5 V. For simple and cost-effective integration, the change in the sensor output signal when a predetermined trigger threshold is exceeded can preferably be large enough to be measured or evaluated directly or after amplification with simple operational amplifier circuits using standard microcontrollers. For analog inputs of a typical microcontroller, this can mean, for example, that with a voltage range of 0 - 5 V and a resolution of 8 bits, the sensor signal or the sensor signal after the operational amplifier circuit changes by at least 0.1 V when the trigger threshold is exceeded and that the noise is a maximum of 20% of this value. For digital inputs of a typical microcontroller, the difference in the measurement signal can preferably be large enough that when the trigger threshold is reached, a change from "low" (measurement signal below the trigger threshold) to "high" (measurement signal above the trigger threshold), or vice versa from "high" to "low", is reliably triggered at the digital input of the microcontroller. For this, the change in a voltage signal, for example, is preferably at least 2.5 V.

Ein derartiger Sensor 7 ist ein beispielsweise ein folienartiger Kraftsensor. Derartige Sensoren sind besonders vorteilhaft, um an der Sensor-Sollposition befestigt zu werden. Folienartige Kraftsensoren zeichnen sich durch eine geringe Dicke aus. Sie können beispielsweise zwei folienartige Schichten Trägermaterial (Polyester) umfassen. Auf jeder Schicht ist ein leitendes Material (z. B. Silber) aufgebracht, auf welches eine Schicht druckempfindliche, halbleitende Tinte folgt. Beide Schichten sind an den Rändern miteinander verklebt. Die aktive Sensorfläche wird durch das Silber oberhalb der druckempfindlichen Tinte definiert. Die Silberleiterbahnen erstrecken sich von der Messfläche bis zu den Anschlusspinnen am anderen Ende des Sensors. Ein solcher Sensor arbeitet als kraftempfindlicher Widerstand in einem elektrischen Schaltkreislauf. Wenn der Sensor unbelastet ist, ist sein Widerstand sehr hoch. Wirkt Kraft auf den Sensor, steigt die Leitfähigkeit der halbleitenden Tinte. Der Widerstand kann z. B. über ein Multimeter, welches an leitenden Pinnen des Sensor angebracht ist ausgelesen werden. Derartige Sensoren sind im Stand der Technik bekannt, z. B. als Flexi ForceO-Kraftsensoren der Firma Tekscan®. Selbstverständlich können auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Kraft-, Druck- und/oder Flächenpressung-Sensoren eingesetzt werden. Such a sensor 7 is, for example, a film-like force sensor. Such sensors are particularly advantageous for being attached to the sensor target position. Film-like force sensors are characterized by their low thickness. They can, for example, comprise two film-like layers of carrier material (polyester). A conductive material (e.g. silver) is applied to each layer, followed by a layer of pressure-sensitive, semiconductive ink. Both layers are glued together at the edges. The active sensor surface is defined by the silver above the pressure-sensitive ink. The silver conductor tracks extend from the measuring surface to the connection pins at the other end of the sensor. Such a sensor works as a force-sensitive resistor in an electrical circuit. When the sensor is not loaded, its resistance is very high. If force acts on the sensor, the conductivity of the semiconductive ink increases. The resistance can be read, for example, using a multimeter that is attached to conductive pins on the sensor. Such sensors are known in the art, e.g. B. as Flexi ForceO force sensors from Tekscan®. Of course, other force, pressure and/or surface pressure sensors known from the state of the art can also be used.

Die im Rahmen von Entwicklungsarbeiten häufig eingesetzten Dehnungsmessstreifen erfüllen ebenfalls die Kriterien der Empfindlichkeit gegenüber der zu erfassenden Messgröße, der Einnahme von vernachlässigbarem Bauraum sowie der Verfügbarkeit in hoher Stückzahl. Allerdings ist die von einem Dehnungsmessstreifen ausgegebene relative Widerstandsänderung typischerweise in der Größenordnung der zu messenden relativen Längenänderung. Bei einer Messung des Schwellverhaltens beträgt die relative Längenänderung typischerweise einige 10 bis wenige 100 pm/m, was einer relativen Widerstandsänderung von 10'6 bis 10'4 entspricht. Zur Auswertung derart kleiner Widerstandsänderungen ist eine aufwändige und teure Auswerteelektronike erforderlich, sodass die Verwendung von Dehnungsmessstreifen möglich, jedoch mit höheren Kosten verbunden ist. Außerdem muss ein Dehnungsmessstreifen für eine zuverlässige Messung aufwendig mit dem zu vermessenden Objekt verbunden, z. B. vollflächig verklebt werden, was die Integrierbarkeit in das Batteriemodul 2 erschwert. The strain gauges frequently used in development work also meet the criteria of sensitivity to the measured variable to be recorded, taking up negligible installation space and being available in large quantities. However, the relative change in resistance output by a strain gauge is typically in the order of magnitude of the relative change in length to be measured. When measuring the swelling behavior, the relative change in length is typically a few 10 to a few 100 pm/m, which corresponds to a relative change in resistance of 10' 6 to 10' 4. Complex and expensive evaluation electronics are required to evaluate such small changes in resistance, so the use of strain gauges is possible, but is associated with higher costs. In addition, a strain gauge must be laboriously connected to the object to be measured for reliable measurement, e.g. glued over the entire surface, which makes it difficult to integrate it into the battery module 2.

Im Beispiel der Figur 3 ist ein einzelner Sensor 7 zur Erfassung des Schwellwertverhaltens zu sehen. Es können aber auch mehrere Sensoren 7 an unterschiedlichen zweiten Batteriezellen 6 angeordnet werden. An jeder der zweiten Batteriezellen 6 ist allerdings vorzugsweise jeweils maximal ein Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens an einer einzelnen Sensor-Sollposition 5 angeordnet. In the example in Figure 3, a single sensor 7 can be seen for detecting the threshold behavior. However, several sensors 7 can also be arranged on different second battery cells 6. However, a maximum of one sensor 7 for detecting the threshold behavior is preferably arranged on each of the second battery cells 6 at a single sensor target position 5.

Beispielhaft ist in der Figur 3 ein Batteriemodul 2 gezeigt, dass vier zweite Batteriezellen 6 umfasst. Das Batteriemodul 2 könnte aber auch mehr oder weniger als vier zweite Batteriezellen 6 umfassen. Außerdem kann das Batteriemodul 2 weitere Batteriezellen (nicht dargestellt) umfassen, die nicht baugleich mit den zweiten Batteriezellen 6 sind. As an example, Figure 3 shows a battery module 2 that includes four second battery cells 6. However, the battery module 2 could also include more or fewer than four second battery cells 6. In addition, the battery module 2 can include additional battery cells (not shown) that are not identical in construction to the second battery cells 6.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Batteriezelle 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Batteriezelle 6 ist wiederum Teil eines Batteriemoduls 2. Das Batteriemodul und die eventuell vorhandenen weiteren zweiten Batteriezellen 6 des Batteriezellenstapels sind hier jedoch aus Gründer der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. An der zweiten Batteriezelle 6 ist entsprechend dem Schritt S30 der Figur 1 ein Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens an der ausgewählten Sensor-Sollposition 5 angeordnet. Zusätzlich ist in der Figur 4 eine Steuerungseinheit 15 dargestellt, die in Signalverbindung 16 mit dem Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens steht. Die Steuerungseinheit 15 empfängt ein Ausgangssignal 18 von dem Sensor 7 und ist dazu eingerichtet, abhängig von den Sensorsignalen einen Grenzwert für den Sensor 7 zu überwachen. Der Grenzwert wird abhängig von dem an der Sensor-Sollposition 5 bestimmten Schwellverhaltens der ersten Batteriezelle am Ende der Zyklisierung, vorzugsweise am Lebensende der ersten Batteriezelle, bestimmt. Der Grenzwert gibt ein Erreichen des Lebensendes der ersten und/oder zweiten Batteriezelle 6 an. Das bedeutet, dass bestimmt wird, welchen Messwert der an der Sensor-Sollposition 5 angeordnete Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens ausgibt, wenn das Lebensende der zweiten Batteriezelle 6 erreicht wird. Bevorzugt kann er Grenzwert etwas niedriger angesetzt werden als er am tatsächlichen Lebensende sein würde, um eine zusätzliche Sicherheitsmarge bis zum tatsächlichen Lebensende zur Verfügung zu haben. Dies ermöglicht eine besonders einfache Überwachung und damit einen besonders sicheren Betrieb des hergestellten Batteriemoduls. Figure 4 shows a schematic representation of a second battery cell 6 according to a further embodiment of the invention. The second battery cell 6 is in turn part of a battery module 2. The battery module and any additional second battery cells 6 of the battery cell stack are not shown here for the sake of clarity. A sensor 7 for detecting the swelling behavior at the selected sensor target position 5 is arranged on the second battery cell 6 in accordance with step S30 of Figure 1. In addition, Figure 4 shows a control unit 15 which is in signal connection 16 with the sensor 7 for detecting the swelling behavior. The control unit 15 receives an output signal 18 from the sensor 7 and is set up to monitor a limit value for the sensor 7 depending on the sensor signals. The limit value is determined depending on the swelling behavior of the first battery cell determined at the sensor target position 5 at the end of the cycling, preferably at the end of the life of the first battery cell. The limit value indicates that the end of the life of the first and/or second battery cell 6 has been reached. This means that it is determined which measured value the sensor 7 arranged at the sensor target position 5 for detecting the swelling behavior outputs when the end of the life of the second battery cell 6 is reached. The limit value can preferably be set somewhat lower than it would be at the actual end of life in order to have an additional safety margin available until the actual end of life. This enables particularly simple monitoring and thus particularly safe operation of the battery module produced.

Die Steuerungseinheit 15 kann beispielsweise ein Warnsignal an einen Benutzer ausgeben, wenn der Grenzwert überschritten wurde, oder sich das Ausgangssignal 18 dem Grenzwert annähert. Der Benutzer weiß damit, dass die zweite Batteriezelle 6 und/oder das Batteriemodul ersetzt werden muss. The control unit 15 can, for example, issue a warning signal to a user when the limit value has been exceeded or the output signal 18 approaches the limit value. The user thus knows that the second battery cell 6 and/or the battery module must be replaced.

Vorzugsweise ist die Steuerungseinheit 15 mittels einer Signalverbindung 16 zusätzlich mit der zweiten Batteriezelle 6 verbunden, sodass die Steuerungseinheit 15 die zweite Batteriezelle 6 mittels eines Eingangssignals 19 das von der Batteriezelle empfangen wird, steuern kann. Zum Beispiel kann die Steuerungseinheit 15 die Entladetiefe der zweiten Batteriezelle 6 verringern, wenn sich das vom Sensor 7 ausgehende Ausgangssignal 18 dem Grenzwert nähert. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der zweiten Batteriezelle 6 erhöht werden. Vorzugsweise ist die Steuerungseinheit 15 dazu ausgebildet die zweite Batteriezelle 6 vollständig zu deaktivieren, wenn ein Sicherheitsgrenzwert überschritten wird, ab dem ein Weiterbetrieb der zweiten Batteriezelle 6 mit einem zu großen Sicherheitsrisiko verbunden wäre. Preferably, the control unit 15 is additionally connected to the second battery cell 6 by means of a signal connection 16, so that the control unit 15 can control the second battery cell 6 by means of an input signal 19 received from the battery cell. For example, the control unit 15 can reduce the depth of discharge of the second battery cell 6 when the output signal 18 from the sensor 7 approaches the limit value. In this way, the service life of the second battery cell 6 can be increased. Preferably, the control unit 15 is designed to completely deactivate the second battery cell 6 if a safety limit value is exceeded, above which continued operation of the second battery cell 6 would involve too great a safety risk.

Die Steuerungseinheit 15 kann beispielsweise Teil eines Batteriemanagementsystems des Fahrzeugs oder eines Zellmanagementsystems des Batteriemoduls sein. Der Sensor 7 zur Erfassung des Schwellverhaltens ist vorzugsweise dazu ausgebildet ein Ausgangssignal 18 zu erzeugen, welches direkt, oder mit nur einfachen Operationsverstärkerschaltungen, mit einem Mikrocontroller 10 gemessen und/oder verarbeitet werden kann. Derartige Schaltungen haben den Vorteil, dass sie besonders einfach und kostengünstig implementiert werden können. Außerdem sind sie im Betrieb wenig störanfällig und stellen daher eine besonders robuste Lösung dar. The control unit 15 can, for example, be part of a battery management system of the vehicle or a cell management system of the battery module. The sensor 7 for detecting the threshold behavior is preferably designed to generate an output signal 18, which can be measured and/or processed directly, or with only simple operational amplifier circuits, with a microcontroller 10. Such circuits have the advantage that they can be implemented particularly easily and inexpensively. They are also less susceptible to failure during operation and therefore represent a particularly robust solution.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Although the invention has been described with reference to particular embodiments, it will be apparent to one skilled in the art that various changes may be made and equivalents may be substituted without departing from the scope of the invention. Accordingly, the invention is not intended to be limited to the disclosed embodiments, but is intended to include all embodiments falling within the scope of the appended claims. In particular, the invention also claims protection for the subject matter and features of the dependent claims independently of the claims referred to.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

1 Verfahren 1 procedure

2 Batteriemodul 2 Battery module

3 Ortsaufgelöste Verteilung eines Schwellverhaltens3 Spatially resolved distribution of a swell behavior

4 Erste Batteriezelle 4 First battery cell

5 Sensor-Sollposition 5 Sensor target position

6 Zweite Batteriezelle 6 Second battery cell

7 Sensor zur Erfassung des Schwellverhaltens 7 Sensor for detecting the swelling behaviour

8 Batteriezellen-Inneres 8 Battery cell interior

9 Batteriezellenwandung 9 Battery cell wall

10 Mikrocontroller 10 microcontrollers

11 Rahmen 11 frames

12 Gehäuse 12 Housing

13 Messstelle 13 Measuring point

14 Gehäuseseite 14 Housing side

15 Steuerungseinheit 15 Control unit

16 Signalverbindung 16 Signal connection

17 Flächige Messeinrichtung 17 Surface measuring device

18 Ausgangssignal 18 Output signal

19 Eingangssignal 19 Input signal

20 Modulhülle 20 Module cover

Claims

Patentansprüche Patent claims 1 . Verfahren (1) zur Herstellung eines Speichers für elektrische Energie, vorzugsweise eines Batteriemoduls (2) zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug, umfassend die Schritte: 1 . Method (1) for producing a storage device for electrical energy, preferably a battery module (2) for providing electrical traction energy for a vehicle, comprising the steps: Ermitteln (S10) einer ortsaufgelösten Verteilung (3) eines Schwellverhaltens einer ersten Batteriezelle (4) während und/oder am Ende einer Zyklisierung der ersten Batteriezelle (4); Determining (S10) a spatially resolved distribution (3) of a threshold behavior of a first battery cell (4) during and/or at the end of a cycling of the first battery cell (4); Auswahlen (S20), abhängig von der ermittelten ortsaufgelösten Verteilung (3) des Schwellverhaltens, einer Sensor-Sollposition (5), Selections (S20), depending on the determined spatially resolved distribution (3) of the threshold behavior, of a sensor target position (5), Herstellung (S30) eines Speichers für elektrische Energie (2), der eine oder mehrere zweite Batteriezellen (6) umfasst, die vorzugsweise baugleich zur ersten Batteriezelle (4) sind, wobei an mindestens einer der einen oder der mehreren zweiten Batteriezellen (6) ein Sensor (7) zur Erfassung des Schwellverhaltens der zweiten Batteriezelle (6) an der ausgewählten Sensor-Sollposition (5) angeordnet wird. Production (S30) of a storage device for electrical energy (2) which comprises one or more second battery cells (6) which are preferably structurally identical to the first battery cell (4), wherein a sensor (7) for detecting the swelling behavior of the second battery cell (6) is arranged on at least one of the one or more second battery cells (6) at the selected sensor target position (5). 2. Verfahren (1) nach Anspruch 1 , wobei die Sensor-Sollposition (5) eine Stelle der ersten (4) und vorzugsweise zweiten (6) Batteriezelle ist, a) die eine für eine Alterung und/oder Sicherheitsbewertung der Batteriezelle (4, 6) repräsentative Stelle ist; und/oder b) die ein Schwellverhalten aufweist, aus dem eine Zellalterung und/oder eine Erreichung eines Lebensende-, EoL-Zustands der Batteriezelle (4, 6) ableitbar ist. 2. Method (1) according to claim 1, wherein the sensor target position (5) is a location of the first (4) and preferably second (6) battery cell, a) which is a location representative of an aging and/or safety assessment of the battery cell (4, 6); and/or b) which has a threshold behavior from which cell aging and/or reaching an end-of-life, EoL state of the battery cell (4, 6) can be derived. 3. Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensor-Sollposition (5) eine Stelle der ersten (4) und vorzugsweise zweiten (6) Batteriezelle ist, a) die das größte Schwellverhalten, und/oder b) die eine größte Flächenpressung, welche vom Batteriezellen-Innern (8) auf die Batteriezellenwandung (9) erzeugt wird, aufweist, vorzugsweise nach Ende der Zyklisierung. 3. Method (1) according to claim 1 or 2, wherein the sensor target position (5) is a location of the first (4) and preferably second (6) battery cell, a) which has the greatest swelling behavior, and/or b) which has the greatest surface pressure which is generated by the battery cell interior (8) on the battery cell wall (9), preferably after the end of the cycling. 4. Verfahren (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (5) zur Erfassung des Schwellverhaltens a) ein Kraft-, Druck und/oder Flächenpressung-Sensor ist, und/oder b) ein Sensor zur Kraftmessung zwischen zwei Flächen ist. 5. Verfahren (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (5) zur Erfassung des Schwellverhaltens a) als Foliensensor und/oder als ein Sensor ausgeführt ist, der vorzugsweise eine Dicke von kleiner 1 mm aufweist, weiter vorzugsweise eine Dicke von kleiner 0,4. Method (1) according to one of the preceding claims, wherein the sensor (5) for detecting the swelling behavior a) is a force, pressure and/or surface pressure sensor, and/or b) is a sensor for measuring force between two surfaces. 5. Method (1) according to one of the preceding claims, wherein the sensor (5) for detecting the swelling behavior a) is designed as a film sensor and/or as a sensor which preferably has a thickness of less than 1 mm, more preferably a thickness of less than 0, 5 mm aufweist; und/oder b) ein Sensorschalter ist, aufweisend zwei Leiter, die sich nur dann berühren, wenn eine Schwellung der Batteriezelle (4, 6) einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet; und/oder c) ausgebildet ist, ein Ausgangssignal (18) zu erzeugen, welches direkt oder nur mit einfachen Operationsverstärkerschaltungen mit einem Mikrocontroller (10) gemessen und/oder ausgewertet werden kann; und/oder d) nicht als Dehnungsmessstreifen ausgeführt ist. 5 mm; and/or b) is a sensor switch having two conductors which only touch each other when a swelling of the battery cell (4, 6) exceeds a predetermined threshold value; and/or c) is designed to generate an output signal (18) which can be measured and/or evaluated directly or only with simple operational amplifier circuits with a microcontroller (10); and/or d) is not designed as a strain gauge. 6. Verfahren (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Ermitteln (S10) der ortsaufgelösten Verteilung des Schwellverhaltens der ersten Batteriezelle (4) während und/oder am Ende der Zyklisierung der ersten Batteriezelle (4) umfasst: a) ein Verspannen der ersten Batteriezelle (4) in einer Einspannvorrichtung, vorzugsweise aufweisend einen Rahmen (11), beispielsweise einem Gummirahmen, und/oder b) die Zyklisierung der ersten Batteriezelle (4) bis zum Lebensende und nach Erreichung des Lebensendes, Messen einer Schwellkraft pro Flächeneinheit auf ein Gehäuse (12) der ersten Batteriezelle (4) und/oder Messen einer Volumenausdehnung der ersten Batteriezelle (4) an mehreren Messstellen (13), wobei die mehreren Messstellen (13) vorzugsweise rasterförmig angeordnet sind und/oder mindestens 80% einer Fläche einer Gehäuseseite (14) oder eines Zellwickels / oder -stacks der ersten Batteriezelle (4) abdecken. 6. Method (1) according to one of the preceding claims, wherein determining (S10) the spatially resolved distribution of the swelling behavior of the first battery cell (4) during and/or at the end of the cycling of the first battery cell (4) comprises: a) clamping the first battery cell (4) in a clamping device, preferably comprising a frame (11), for example a rubber frame, and/or b) cycling the first battery cell (4) until the end of its life and after reaching the end of its life, measuring a swelling force per unit area on a housing (12) of the first battery cell (4) and/or measuring a volume expansion of the first battery cell (4) at several measuring points (13), wherein the several measuring points (13) are preferably arranged in a grid and/or cover at least 80% of an area of a housing side (14) or a cell coil/or stack of the first battery cell (4). 7. Verfahren (1) nach Anspruch 6, wobei die Sensor-Sollposition (5) als die Messstelle (13) ausgewählt wird, die von allen Messstellen (13) eine größte Schwellkraft pro Flächeneinheit und/oder eine größte Volumenausdehnung aufweist. 7. Method (1) according to claim 6, wherein the sensor target position (5) is selected as the measuring point (13) which, of all measuring points (13), has a largest threshold force per unit area and/or a largest volume expansion. 8. Verfahren (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: abhängig von dem an der Sensor-Sollposition (5) bestimmten Schwellverhalten der ersten Batteriezelle (4) am Ende der Zyklisierung, Bestimmung eines Grenzwerts für den Sensor (7) zur Erfassung des Schwellverhaltens, der ein Erreichen eines Lebensendes der ersten (4) und/oder zweiten (6) Batteriezellen anzeigt. 8. Method (1) according to one of the preceding claims, further comprising: depending on the threshold behavior of the first battery cell (4) determined at the sensor target position (5) at the end of the cycling, determining a limit value for the sensor (7) for detecting the threshold behavior, which indicates reaching the end of the life of the first (4) and/or second (6) battery cells. 9. Verfahren (1) nach Anspruch 8, wobei die Herstellung (S30) des Speichers (2) umfasst:9. Method (1) according to claim 8, wherein the manufacture (S30) of the memory (2) comprises: Bereitstellung einer Steuerungseinheit (15), die in Signalverbindung (16) mit dem Sensor (7) steht und die eingerichtet ist, abhängig von den Sensorsignalen den Grenzwert für den Sensor (7) zu überwachen. Provision of a control unit (15) which is in signal connection (16) with the sensor (7) and which is configured to monitor the limit value for the sensor (7) depending on the sensor signals. 10. Speicher für elektrische Energie (2), vorzugsweise Batteriemodul (2) zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug, hergestellt mit einem Verfahren (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche. 10. Storage device for electrical energy (2), preferably a battery module (2) for providing electrical traction energy for a vehicle, produced by a method (1) according to one of the preceding claims. 11. Speicher für elektrische Energie (2), vorzugsweise Batteriemodul (2) zur Bereitstellung von elektrischer Traktionsenergie für ein Fahrzeug, der eine oder mehrere Batteriezellen11. Storage device for electrical energy (2), preferably battery module (2) for providing electrical traction energy for a vehicle, which has one or more battery cells (6) umfasst, wobei an mindestens einer der einen oder mehreren Batteriezellen (6) ein Sensor(6), wherein at least one of the one or more battery cells (6) has a sensor (7) zur Erfassung eines Schwellverhaltens der Batteriezelle (6) an einer vorbestimmten Sensor-Sollposition (5) angeordnet ist, wobei die Sensor-Sollposition (5) jeweils eine Stelle der Batteriezellen (6) ist, a) die eine für eine Alterung und/oder Sicherheitsbewertung repräsentative Stelle ist; und/oder b) die ein Schwellverhalten aufweist, aus dem eine Zellalterung und/oder eine Erreichung eines Lebensende-, EoL-Zustands der Batteriezelle (6) ableitbar ist. (7) is arranged at a predetermined sensor target position (5) for detecting a swelling behavior of the battery cell (6), wherein the sensor target position (5) is a location on the battery cells (6) a) which is a location representative of aging and/or safety assessment; and/or b) which has a swelling behavior from which cell aging and/or reaching an end-of-life, EoL state of the battery cell (6) can be deduced. 12. Speicher für elektrische Energie (2) nach Anspruch 11 , wobei die Sensor-Sollposition (5) eine Stelle der Batteriezellen (6) ist, a) die das größte Schwel Iverhalten und/oder b) die eine größte Flächenpressung, welche vom Batteriezellen-Innern (8) auf die Batteriezellenwandung (9) erzeugt wird, aufweist, vorzugsweise nach Ende der Zyklisierung. 12. Storage device for electrical energy (2) according to claim 11, wherein the sensor target position (5) is a location on the battery cells (6) which a) has the greatest swelling behavior and/or b) has the greatest surface pressure which is generated by the battery cell interior (8) on the battery cell wall (9), preferably after the end of the cycling. 13. Speicher für elektrische Energie (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei an der einen oder den mehreren Batteriezellen (6) jeweils höchstens ein Sensor (7) zur Erfassung des Schwel Iverhaltens angebracht ist. 13. Storage device for electrical energy (2) according to one of claims 10 to 12, wherein at most one sensor (7) for detecting the threshold behavior is attached to the one or more battery cells (6). 14. Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug, aufweisend ein Speicher für elektrische Energie (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 12. 14. Vehicle, preferably a motor vehicle, comprising a storage device for electrical energy (2) according to one of claims 10 to 12. 15. Fahrzeug nach Anspruch 14, das als Nutzfahrzeug, vorzugsweise als Lastkraftwagen oder Omnibus ausgeführt ist. 15. Vehicle according to claim 14, which is designed as a commercial vehicle, preferably as a truck or bus.
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