DE102017218588A1 - Detection of critical operating states in lithium-ion cells - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion kritischer Betriebszustände in Lithiumionenzellen durch Messung der Impedanz, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Lithiumionenbatterie, die mit der Vorrichtung ausgestattet ist. The present invention relates to a method for detecting critical operating conditions in lithium-ion cells by measuring the impedance, an apparatus for carrying out the method and a lithium-ion battery equipped with the apparatus.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion kritischer Betriebszustände in Lithiumionenzellen, insbesondere in Zellen mit Shutdown-Separator, durch Messung der Impedanz, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Lithiumionenbatterie, die mit der Vorrichtung ausgestattet ist.The present invention relates to a method for detecting critical operating conditions in lithium-ion cells, in particular in cells with shutdown separator, by measuring the impedance, a device for carrying out the method and a lithium-ion battery equipped with the device.
Technischer HintergrundTechnical background
Separatoren in LithiumionenzellenSeparators in lithium-ion cells
Gegenwärtig werden in zahlreichen mobilen und stationären Energiespeichersystemen Lithium- bzw. Lithiumionenbatterien mit Flüssigelektrolyt eingesetzt, die im Wesentlichen eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode) und einen dazwischenliegenden Separator umfassen, der mit einem nichtwässrigen Flüssigelektrolyten getränkt ist.At present, lithium and lithium ion batteries with liquid electrolyte, which essentially comprise a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode) and an intermediate separator impregnated with a nonaqueous liquid electrolyte, are used in many mobile and stationary energy storage systems.
Der Separator hat einerseits die Funktion, einen direkten Kontakt der Elektroden zu unterbinden, um so einen inneren Kurzschluss zu verhindern, und andererseits den Austausch von Lithiumionen zwischen den Elektroden zu ermöglichen. Der Separator ist typischerweise eine poröse Polymerfolie auf Polyethylen- oder Polypropylen-Basis oder ein Vliesmaterial, optional auch im Verbund mit einem keramischen Material. Separatoren auf Basis von Polymerfolien werden durch Schmelzextrusion im sogenannten Trockenverfahren oder im Nassverfahren hergestellt. Beim Trockenverfahren wird die Porenstruktur durch das Tempern und Verstrecken der Folie erhalten. Im Nassverfahren wird hingegen dem Polymermaterial ein lösliches Wachs hinzugegeben, das als Templat fungiert und nach Herstellung der Folie mit einem Lösungsmittel extrahiert wird, um die Poren zu bilden. Als Polymermaterial werden üblicherweise Polyethylen oder Polypropylen oder eine Kombination davon eingesetzt, doch kommen auch andere Materialien wie Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder Copolymere davon mit Hexafluoropropylen (PVdF-HFP), Polyethylenoxid oder Polyacrylnitril in Betracht.On the one hand, the separator has the function of preventing direct contact of the electrodes so as to prevent an internal short circuit and, on the other hand, to enable the exchange of lithium ions between the electrodes. The separator is typically a polyethylene or polypropylene based porous polymeric film or a nonwoven material, optionally also in combination with a ceramic material. Separators based on polymer films are produced by melt extrusion in the so-called dry process or in the wet process. In the dry process, the pore structure is obtained by annealing and stretching the film. In the wet process, on the other hand, a soluble wax is added to the polymer material, which acts as a template and, after the film is made, is extracted with a solvent to form the pores. The polymer material used is usually polyethylene or polypropylene or a combination thereof, but other materials such as polyvinylidene fluoride (PVdF) or copolymers thereof with hexafluoropropylene (PVdF-HFP), polyethylene oxide or polyacrylonitrile are also suitable.
Im Hinblick auf die Energiedichte und die Bereitstellung kurzer Diffusionswege sollte der Separator möglichst dünn sein und eine hohe Porosität aufweisen. Andererseits benötigt der Separator auch eine gute mechanische Festigkeit, um unter den beim Betrieb auftretenden Temperaturschwankungen und Volumenänderungen der Elektroden aufgrund der Interkalation bzw. Deinterkalation von Lithium seine strukturelle Integrität aufrechterhalten zu können, wozu eine gewisse Mindestdicke erforderlich ist. Somit besteht im Hinblick auf die Anforderungen an den Separator ein Konfliktverhältnis.In view of the energy density and the provision of short diffusion paths, the separator should be as thin as possible and have a high porosity. On the other hand, the separator also requires good mechanical strength in order to be able to maintain its structural integrity under the temperature variations and volume changes of the electrodes due to the intercalation or deintercalation of lithium, which requires a certain minimum thickness. Thus, there is a conflict with respect to the requirements of the separator.
Da bei großformatigen Lithiumionenzellen, wie sie z.B. für Fahrzeuge verwendet werden, die Wärmeabfuhr schwieriger ist, und die auftretenden Strombelastungen höher sein können als bei kleinformatigen Lithiumionenzellen, wie sie etwa für tragbare elektronische Geräte zum Einsatz kommen, sind die Qualitätsanforderungen für den Separator hier besonders relevant.As with large format lithium ion cells, as e.g. used for vehicles, heat dissipation is more difficult, and the current loads occurring can be higher than for small-sized lithium-ion cells, such as those used for portable electronic devices, the separator quality requirements are particularly relevant here.
Falls die Integrität des Separators beschädigt wird, beispielsweise mechanisch oder durch teilweises Aufschmelzen, so kann es zu einem elektrisch leitenden Kontakt zwischen den Elektroden kommen. Ein solcher innerer Kurzschluss bewirkt einen unerwünschten starken Temperaturanstieg (thermisches Durchgehen, „Thermal Runaway“).If the integrity of the separator is damaged, for example mechanically or as a result of partial melting, electrically conductive contact between the electrodes may occur. Such an internal short circuit causes an undesirable high temperature rise (thermal runaway).
Als Sicherheitsmaßnahme gegen ein solches thermisches Durchgehen infolge von Aufschmelzen können Separatoren für großformatige Lithiumionenzellen als sogenannte „Shutdown-Separatoren“ konfiguriert werden. Ein „Shutdown-Separator“ ist aus (mindestens) drei Schichten aufgebaut, einer niedrigschmelzenden inneren Schicht (z.B. aus PE) und zwei höherschmelzenden äußeren Schichten (z.B. aus PP). Bei einem abnormalen Temperaturanstieg würde die innere Schicht zuerst schmelzen und die Poren der äußeren Schichten verschließen, so dass der Ionenfluss zum Erliegen kommt.As a precaution against such thermal runaway due to reflow, separators for large format lithium ion cells may be configured as so-called shutdown separators. A "shutdown separator" is made up of (at least) three layers, a low melting inner layer (e.g., PE) and two higher melting outer layers (e.g., PP). At an abnormal temperature rise, the inner layer would first melt and close the pores of the outer layers so that the ion flow stops.
Idealerweise erfolgt dies über die gesamte Fläche des Separators, was einer Stilllegung der Zelle gleichkommt und ein weiteres Ansteigen der Temperatur verhindert. Die äußeren Schichten bleiben intakt und verhindern den inneren Kurzschluss.Ideally, this takes place over the entire area of the separator, which is equivalent to a decommissioning of the cell and prevents a further increase in the temperature. The outer layers remain intact and prevent the internal short circuit.
Für weitere Details zum oben zusammengefassten Stand der Technik wird auf die einschlägige Fachliteratur, beispielsweise auf R. Korthauer (Hrsg.), „Handbuch LithiumIonen-Batterien“, Springer Vieweg 2013 (insbesondere Kapitel 7: Separatoren), verwiesen.For further details of the prior art summarized above, reference is made to the relevant specialist literature, for example R. Korthauer (ed.), "Handbuch LithiumIonen-Batterien", Springer Vieweg 2013 (especially Chapter 7: Separators).
Impedanzmessung in elektrochemischen ZellenImpedance measurement in electrochemical cells
Das Prinzip der Impedanzmessung ist grundsätzlich bekannt. Insbesondere stellt die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ein etabliertes Verfahren zur Charakterisierung von elektrochemischen Systemen wie insbesondere auch galvanischen Zellen dar. Der Stand der Technik lehrt auch, Impedanzmessungen zur Diagnose des Zustandes von Lithiumionenzellen im Automobilbereich einzusetzen.The principle of impedance measurement is basically known. In particular, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is an established method of characterizing electrochemical systems, in particular galvanic cells. The prior art also teaches to use impedance measurements to diagnose the state of lithium-ion cells in the automotive field.
Hierbei wird beispielsweise auf die
Aufgabenstellungtask
Bei der Auslösung eines Shutdown-Separators kann im Realfall die Schwierigkeit auftreten, dass die Temperaturverteilung über die Separatorfläche ungleichmäßig ist, beispielsweise aufgrund einer besseren Wärmeabfuhr des näher an der Gehäusewand liegenden Abschnitts, oder auch aufgrund lokaler Inhomogenitäten, z.B. infolge ungleichförmiger mechanischer Belastung.In the case of triggering a shutdown separator, in the real case, there may be the difficulty that the temperature distribution across the separator surface is uneven, for example because of better heat dissipation of the section closer to the housing wall, or due to local inhomogeneities, e.g. due to non-uniform mechanical load.
Daher kann im Fehlerfall nicht ausgeschlossen werden, dass der Shutdown-Effekt lokal begrenzt an einer heißeren Stelle auftritt, während der Separator an kälteren Stellen noch intakt ist und weiteren Lithiumtransport ermöglicht. Somit besteht die Gefahr, dass die Temperatur an der heißen Stelle weiter ansteigt, so dass schlimmstenfalls auch die äußeren Lagen des Shutdown-Separators schmelzen und ein innerer Kurzschluss entsteht.Therefore, in the event of a fault, it can not be ruled out that the shutdown effect occurs locally at a hotter location, while the separator is still intact at colder places and allows further lithium transport. Thus, there is a risk that the temperature further increases at the hot spot, so that in the worst case, the outer layers of the shutdown separator melt and an internal short circuit occurs.
Im Hinblick auf diese Problematik wäre es nützlich, ein teilweises lokales Auslösen des Shutdown-Effekts, wie es unter Realbedingungen auftreten kann, detektieren zu können, damit die Zelle rechtzeitig deaktiviert werden kann und ein weiterer Temperaturanstieg verhindert wird.In view of this problem, it would be useful to be able to detect a partial local triggering of the shutdown effect, as it can occur under real conditions, so that the cell can be deactivated in time and a further increase in temperature is prevented.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass die Impedanz proportional zur intakten Separator-Fläche ist. Somit lässt sich durch Impedanzmessung eine Verringerung der intakten Separator-Fläche durch lokales Auslösen des Shutdown-Effekts feststellen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft folglich ein Verfahren zur Detektion des beginnenden Schmelzens eines Shutdown-Separators in einer Lithiumionenzelle mittels Impedanzmessung.According to the invention, it has been found that the impedance is proportional to the intact separator area. Thus, by impedance measurement, a reduction of the intact separator area can be determined by locally triggering the shutdown effect. One aspect of the present invention thus relates to a method for detecting the incipient melting of a shutdown separator in a lithium-ion cell by means of impedance measurement.
Weiterhin führen bereits Temperaturen, die unterhalb der Shutdown-Temperatur liegen, zu einer beschleunigten Alterung und einer teilweisen Zersetzung des Elektrolyten. Solche Temperaturen können ebenfalls lediglich lokal begrenzt an einzelnen Stellen im Zellinneren auftreten und können daher schwierig zu detektieren sein.Furthermore, even temperatures below the shutdown temperature lead to accelerated aging and partial decomposition of the electrolyte. Such temperatures can also occur only locally limited at individual locations in the cell interior and therefore can be difficult to detect.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass derartige Effekte, die unterhalb der Shutdown-Temperatur auftreten, durch Impedanzmessung detektiert werden. Daher betrifft ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung die Detektion solcher kritischer Betriebszustände durch Impedanzmessung.According to the invention, it has been found that such effects, which occur below the shutdown temperature, are detected by impedance measurement. Therefore, another aspect of the invention relates to the detection of such critical operating conditions by impedance measurement.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere „online“ (d.h. im laufenden Betrieb, ggf. unter Last) durchgeführt werden, und ermöglichen es daher, die Zelle durchgehend zu überwachen und im Fehlerfall rechtzeitig abzuschalten.In particular, the methods according to the invention can be carried out "online" (i.e., during operation, if necessary under load), thus making it possible to monitor the cell continuously and to switch it off in good time in the event of a fault.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion kritischer Betriebszustände in Lithiumionenzellen durch Messung der Impedanz, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Lithiumionenbatterie, die mit der Vorrichtung ausgestattet ist.The present invention relates to a method for detecting critical operating conditions in lithium-ion cells by measuring the impedance, an apparatus for carrying out the method and a lithium-ion battery equipped with the apparatus.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion kritischer Betriebszustände in einer oder mehreren Lithiumionenzelle(n), umfassend:
- - Kontinuierliche oder intermittierende Ermittlung des Betrags und/oder des Realteils der Impedanz Z der Zelle(n), um den Wert Zt zum Zeitpunkt t zu erhalten;
- - Vergleich des Werts Zt mit einem oder mehreren Referenzwerten Zref, wobei Zref ausgewählt ist aus:
- (a) einem zu einem vorherigen Zeitpunkt t-x bestimmten Wert Zt-x, wobei x ein Zeitintervall >0 darstellt;
- (b) einem für die Zelle bei der jeweiligen Zelltemperatur T erwarteten Wert ZT;
- (c) einem für den jeweiligen Zeitpunkt t erwarteten Wert Zerw,t, der für die Zelle anhand eines oder mehrerer Betriebsparameter, ausgewählt aus Zelltemperatur, Zellspannung, Laststrom, Ladezustand und Alterungszustand, berechnet wird;
- - Feststellung eines kritischen Betriebszustands, wenn der Wert Zt gegenüber einem, mehreren oder allen Zref angestiegen ist und der prozentuale Anstieg einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wobei der
Schwellwert 5% oder mehr beträgt.
- - Continuously or intermittently determining the magnitude and / or the real part of the impedance Z of the cell (s) to obtain the value Z t at time t;
- Comparison of the value Z t with one or more reference values Z ref , where Z ref is selected from:
- (a) one at a previous time tx certain value Z tx, where x is a time period> 0 represents;
- (b) a value Z T expected for the cell at the respective cell temperature T ;
- (c) a value Z erw, t expected for the respective time t, calculated for the cell from one or more operating parameters selected from cell temperature, cell voltage, load current, state of charge and state of aging;
- - Determining a critical operating condition when the value Z t has risen against one, several or all Z ref and the percentage increase exceeds a predetermined threshold, the threshold being 5% or more.
Speziell können die Zellen einen Shutdown-Separator aufweisen, und der kritische Betriebszustand entspricht dem beginnenden lokalen Schmelzen des Shutdown-Separators.Specifically, the cells may have a shutdown separator, and the critical operating condition corresponds to incipient local melting of the shutdown separator.
Wenn ein kritischer Betriebszustand festgestellt wurde, wird typischerweise ein entsprechendes Signal an die Batteriesteuereinrichtung weitergegeben, die dann geeignete Gegenmaßnahmen zur Verhinderung weiterer Schäden oder eines thermischen Durchgehens treffen kann, beispielsweise ein Abtrennen der Zelle oder des gesamten Batteriepacks vom Netz, Einleitung von Kühlmaßnahmen, etc.Typically, when a critical operating condition has been detected, a corresponding signal is passed to the battery controller, which may then take appropriate countermeasures to prevent further damage or thermal runaway, such as disconnecting the cell or the entire battery pack from the grid, initiating cooling measures, etc.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt mögliche Anordnungen der Messeinrichtung in einem Batterie-Pack.1 shows possible arrangements of the measuring device in a battery pack. -
2 zeigt die Auftragung von Gehäusetemperatur (Tcan), Ventiltemperatur (Tvent) und Impedanz für eine Zelle im Ofentest.2 shows the plot of case temperature (T can ), valve temperature (T vent ), and impedance for a cell in the oven test. -
3 zeigt die Auftragung von Gehäusetemperatur (Tcan), Ventiltemperatur (Tvent) und Impedanz für eine Zelle im Heizplattentest.3 shows the plot of housing temperature (T can ), valve temperature (T vent ) and impedance for a cell in the heater test. -
4 zeigt die Auftragung von Impedanz gegen Gehäusetemperatur für jeweils drei Zellen während des Ofentests bzw. Heizplattentests. Die Umkehrung des Impedanz/Temperaturverhaltens ist deutlich zu erkennen.4 shows the application of case temperature impedance for every three cells during the oven test or hot plate test. The reversal of the impedance / temperature behavior can be clearly seen.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
GrundlagenBasics
Das grundsätzliche Funktionsprinzip der Impedanzmessung für Lithiumionenzellen ist im Stand der Technik bekannt. Insbesondere wird hierzu auf die oben zitierte
Die Impedanzmessung kann potentiostatisch oder galvanostatisch erfolgen. Im potentiostatischen Fall wird ein Wechselspannungssignal auf die Gleichspannungskomponente aufmoduliert, die wiederum der Zellspannung entspricht. Die Amplitude des Wechselspannungssignals ist typischerweise wesentlich geringer als die Gleichspannung, um das Verhalten der Zelle nicht zu beeinflussen, und kann beispielsweise zwischen 1 und 50 mV betragen, insbesondere etwa 5 bis 10 mV. Gemessen wird dann die durch das Wechselspannungssignal hervorgerufene oszillierende Komponente des Stroms, sowie deren Phasenverschiebung ϕ gegenüber der angelegen Spannung.The impedance measurement can be potentiostatic or galvanostatic. In the potentiostatic case, an AC signal is modulated onto the DC component, which in turn corresponds to the cell voltage. The amplitude of the AC signal is typically much lower than the DC voltage, so as not to affect the behavior of the cell, and may for example be between 1 and 50 mV, in particular about 5 to 10 mV. Then measured is the oscillating component of the current caused by the alternating voltage signal, as well as its phase shift φ with respect to the applied voltage.
Der galvanostatische Fall entspricht der umgekehrten Vorgehensweise, bei der ein vorbestimmtes Wechselstromsignal I(t) aufmoduliert wird und die Spannung U(t) gemessen wird. Im Folgenden wird das aufmodulierte Spannungs- oder Stromsignal auch als Anregungssignal bezeichnet, und das entsprechende Strom- bzw. Spannungssignal, das gemessen wird, als Antwortsignal.The galvanostatic case corresponds to the reverse procedure, in which a predetermined alternating current signal I (t) is modulated and the voltage U (t) is measured. In the following, the modulated voltage or current signal is also referred to as the excitation signal, and the corresponding current or voltage signal which is measured as the response signal.
Per Konvention wird ϕ als Differenz der Nullpunktswinkel von Spannung und Strom definiert (ϕ = ϕU - ϕI).By convention, φ is defined as the difference between the zero-angle of voltage and current (φ = φ U - φ I ).
Wenn die Oszillation der Wechselspannung U(t) als eiωt ausgedrückt wird, so ergibt sich für die oszillierende Stromkomponente I(t) und für die Impedanz (Wechselstromwiderstand) Z:
Somit ist die Impedanz im Allgemeinen komplex und weist einen Realteil Re(Z) = R auf, der dem Ohm'schen Widerstand entspricht und auch als Wirkwiderstand bezeichnet wird, und einen Imaginärteil Im(Z) = X, der auch als Blindwiderstand bezeichnet wird.Thus, the impedance is generally complex and has a real part Re (Z) = R, which corresponds to the ohmic resistance and is also called effective resistance, and an imaginary part Im (Z) = X, which is also called reactance.
Der Betrag der Impedanz |Z| ist das Verhältnis der effektiven Strom- und Spannungsamplituden und wird auch als Scheinwiderstand bezeichnet. Er beinhaltet sowohl den Wirkwiderstand als auch den Blindwiderstand und ist typischerweise frequenzabhängig. Leistung wird jedoch nur aufgrund des Wirkwiderstands dissipiert.The amount of impedance | Z | is the ratio of the effective current and voltage amplitudes and is also referred to as impedance. It contains both the effective resistance and the reactive resistance and is typically frequency-dependent. However, power is only dissipated due to the resistance.
Für einen idealen ohmschen Widerstand ist die Phasenverschiebung null und die Impedanz entspricht dem Wirkwiderstand R. Für einen idealen Kondensator (kapazitiver Widerstand) ist die Phasenverschiebung -90°, und die Impedanz ist rein imaginär und sinkt mit steigender Frequenz (Z = - i *(1/ωC); C: Kapazität). Für ein ideales induktives Bauelement (induktiver Widerstand) ist die Phasenverschiebung +90°. Die Impedanz ist ebenfalls rein imaginär und beträgt Z = +iωL (L: Induktivität), d.h. der Blindwiderstand steigt mit steigender Frequenz.For an ideal ohmic resistance, the phase shift is zero and the impedance corresponds to the effective resistance R. For an ideal capacitor (capacitance), the phase shift is -90 °, and the impedance is purely imaginary and decreases with increasing frequency (Z = - i * ( 1 / ωC); C: capacity). For an ideal inductive component, the phase shift is + 90 °. The impedance is also purely imaginary and Z = + iωL (L: inductance), ie the reactance increases with increasing frequency.
Das Verhalten eines realen Bauelements wie z.B. einer galvanische Zelle ist wesentlich komplexer, lässt sich jedoch im Allgemeinen durch Kombination einer Mehrzahl der drei vorgenannten idealen Bauelemente (Ohm'sche, kapazitive und induktive Widerstände) in Parallel- und/oder Reihenschaltung modellieren. Entsprechende weiterführende Ausführungen hierzu finden sich ebenfalls in
Die meisten Vorgänge in der Zelle, die auf Landungstransport beruhen, einschließlich der Ionenleitung im Elektrolyten und der Kinetik der Interkalation und Deinterkalation an den Elektroden, lassen sich dabei durch Ohm'sche Widerstände beschreiben. Kapazitive Widerstände kommen beispielsweise an den elektrischen Doppelschichten an den Elektroden vor. Induktivitäten sind in den galvanischen Zellen selbst meist weniger relevant. Sie können allerdings beispielsweise aufgrund der durch den Stromfluss in den Stromkollektoren und den Zuleitungen hervorgerufenen Magnetfelder auftreten und bei höheren Frequenzen eine zunehmende Rolle spielen.Most processes in the cell that rely on landing transport, including ionic conduction in the electrolyte and the kinetics of intercalation and deintercalation at the electrodes, can be described by ohmic resistances. Capacitive resistors occur, for example, on the electrical double layers on the electrodes. Inductors are usually less relevant in the galvanic cells themselves. However, they may, for example, occur due to the magnetic fields caused by the current flow in the current collectors and the leads and play an increasing role at higher frequencies.
Solange die Zelle im normalen Temperaturbereich betrieben wird, bewirkt eine Temperaturerhöhung eine Steigerung der Ionenleitfähigkeit, was zu einer Senkung des Realteils und des Betrags der Impedanz führt.As long as the cell is operated in the normal temperature range, a temperature increase causes an increase in the ionic conductivity, which leads to a decrease in the real part and the amount of the impedance.
Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass sich dieses Verhalten beim Erreichen einer ersten unerwünscht hohen, d.h. kritischen, Temperatur umkehrt. Zwar bewirkt die Temperatursteigerung eine weitere Erhöhung der Ionenbeweglichkeit, doch gleichzeitig treten eine beschleunigte Alterung und eine beginnende Zersetzung des Elektrolyten auf, die insgesamt zu einem höheren Widerstand führen. Eine zweite kritische Temperatur tritt in Zellen mit Shutdown-Separator auf und markiert dort die beginnende Auslösung des Shutdown-Effekts. Das Verschließen der Poren und der damit einhergehende Verlust an durchlässiger Separatorfläche bewirken einen starken Anstieg des Widerstands.According to the invention, it has been found that this behavior occurs when a first undesirably high, i. critical, temperature reversed. Although the temperature increase causes a further increase in ion mobility, but at the same time occur accelerated aging and incipient decomposition of the electrolyte, which lead to an overall higher resistance. A second critical temperature occurs in cells with a shutdown separator and marks the beginning of the shutdown effect. The closing of the pores and the concomitant loss of permeable separator surface cause a large increase in the resistance.
Somit beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der Ermittlung des Auftretens eines anormalen Impedanzanstiegs, insbesondere unter Umkehrung des Temperatur/Widerstands-Verhaltens. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind im Wesentlichen auf Änderungen der Ionenleitfähigkeit zurückzuführen und lassen sich daher in guter Näherung durch den Realteil der Impedanz bzw. den Betrag der Impedanz erfassen. Der Imaginärteil spielt für diese Vorgänge nur eine untergeordnete Rolle.Thus, the inventive method is based on the determination of the occurrence of an abnormal increase in impedance, in particular by reversing the temperature / resistance behavior. The underlying mechanisms are essentially due to changes in the ionic conductivity and can therefore be detected in good approximation by the real part of the impedance or the amount of impedance. The imaginary part plays only a subordinate role for these processes.
Der praktische Vorteil der Impedanzmessung besteht darin, dass die Impedanzmessung nur die Hochfrequenzanteile von Strom und Spannung betrifft und mit den Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsanteilen nicht wechselwirkt. Damit kann die Messung auch online im laufenden Betrieb unter Last erfolgen.The practical advantage of the impedance measurement is that the impedance measurement only affects the high frequency components of current and voltage and does not interact with the DC or DC components. Thus, the measurement can also be done online during operation under load.
Für das erfindungsgemäße Verfahren genügt es grundsätzlich, den Betrag oder den Realteil der Impedanz zu erfassen. Falls es nicht anhand des Kontexts klar anderweitig ersichtlich ist, kann sich in den nachfolgenden Ausführungen die Bezeichnung „Impedanz“ auf den Betrag der Impedanz |Z|, auf ihren Realteil Re(Z) sowie auf die Impedanz Z als komplexe Größe aus Realteil und Imaginärteil bzw. Betrag und Phase beziehen.For the method according to the invention, it is basically sufficient to detect the absolute value or the real part of the impedance. Unless the context clearly indicates otherwise, in the following discussion, the term "impedance" may refer to the magnitude of the impedance | Z |, to its real part Re (Z), and to the impedance Z as a complex variable of real part and imaginary part or amount and phase relate.
Impedanzmessungimpedance measurement
Wie oben beschrieben wird die Impedanz Z im Allgemeinen gemessen, indem ein oszillierendes Spannungs- oder Stromsignal an die Zelle als Anregungssignal angelegt wird und das entsprechende Strom- bzw. Spannungssignal als Reaktion auf das Anregungssignal gemessen wird.As described above, the impedance Z is generally measured by applying an oscillating voltage or current signal to the cell as the excitation signal and measuring the corresponding voltage signal in response to the excitation signal.
Das Anregungssignal kann eine einzelne Frequenz oder eine Superposition mehrerer Frequenzen umfassen, und es kann kontinuierlich oder gepulst an die Zelle angelegt werden. Die Frequenzen sind nicht speziell beschränkt und können beispielsweise im Bereich von 10 Hz bis 10 kHz liegen.The excitation signal may comprise a single frequency or a superposition of multiple frequencies, and may be applied to the cell continuously or in a pulsed manner. The frequencies are not particularly limited and may be in the range of 10 Hz to 10 kHz, for example.
Allgemein hat die Frequenz einen Einfluss auf die Prozesse in der Zelle, die zum Antwortsignal beitragen. Bei hohen Frequenzen (z.B. 1 kHz) kommt die Impedanz hauptsächlich durch die ionischen und elektronischen Widerstandsanteile im Elektrolyten sowie in den Elektroden und Ableitern zustande, während bei niedrigen Frequenzen weitere Beiträge hinzukommen, die auf Prozesse mit relativ langsamer Zeitskala wie Festkörperdiffusion oder Ladungsdurchtrittsreaktionen zurückzuführen sind.In general, the frequency has an impact on the processes in the cell that contribute to the response signal. At high frequencies (e.g., 1 kHz), the impedance is mainly due to the ionic and electronic resistance components in the electrolyte as well as the electrodes and arresters, while at low frequencies additional contributions are added due to relatively slow time scale processes such as solid state diffusion or charge transfer reactions.
Bei niedrigen Frequenzen ist die Abhängigkeit der Impedanz von der Temperatur im Allgemeinen stärker, was die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöhen kann. Allerdings erhöht sich bei niedrigen Frequenzen auch die Abhängigkeit von anderen Faktoren wie insbesondere dem Ladezustand (SOC) und dem Alterungszustand der Zelle. Zudem können bei niedrigen Frequenzen auch Interferenzen mit dem normalen Fahrstrom auftreten.At low frequencies, the dependence of impedance on temperature is generally stronger, which can increase the sensitivity of the method of the invention. However, at low frequencies, the dependence on other factors such as in particular the state of charge (SOC) and the aging state of the cell increases. In addition, at low frequencies, interference with the normal traction current may occur.
Auch die Messdauer für eine einzelne Impedanzmessung hängt von der Signalfrequenz ab, da immer ganze Perioden aufgenommen werden müssen. Im Hinblick auf eine kurze Messdauer sind daher höhere Frequenzen vorzuziehen.The measurement duration for a single impedance measurement also depends on the signal frequency, as whole periods must always be recorded. In view of a short measurement period, therefore, higher frequencies are preferable.
Als Kompromiss hinsichtlich der Reduktion des Einflusses von Störfaktoren bei gleichzeitig ausreichender Temperaturempfindlichkeit und kurzer Messdauer sind Frequenzen im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz, vorzugsweise 100 Hz bis 5 kHz, insbesondere 500 Hz bis 2 kHz bevorzugt. As a compromise with respect to the reduction of the influence of interfering factors with sufficient temperature sensitivity and a short measurement period, frequencies in the range of 50 Hz to 10 kHz, preferably 100 Hz to 5 kHz, in particular 500 Hz to 2 kHz are preferred.
Grundsätzlich genügt es, eine einzelne Anregungsfrequenz einzusetzen. Alternativ können zwei oder mehrere Anregungsfrequenzen abwechselnd oder überlagert eingesetzt werden, oder es kann eine vorbestimmte Bandbreite an Anregungsfrequenzen durchlaufen werden, um ein Spektrum aufzunehmen. Als weitere Möglichkeit kann die Anregung gepulst erfolgen, beispielsweise in Form eines Impulses, der eine Überlagerung vieler Frequenzen darstellt, und das gemessene Signal wird mittels Fourier-Transformation analysiert. Das so erhaltende Spektrum wird dann mit dem Spektrum des Anregungsimpulses korreliert, um ebenfalls ein Impedanzspektrum zu erhalten.Basically, it is sufficient to use a single excitation frequency. Alternatively, two or more excitation frequencies may be alternately or superimposed, or a predetermined bandwidth of excitation frequencies may be traversed to accommodate a spectrum. As a further possibility, the excitation can be pulsed, for example in the form of a pulse representing a superposition of many frequencies, and the measured signal is analyzed by means of Fourier transformation. The spectrum thus obtained is then correlated with the spectrum of the excitation pulse to also obtain an impedance spectrum.
Um den apparativen Aufwand niedrig zu halten, kann die Verwendung einer einzelnen Frequenz in gewissen Ausführungsformen bevorzugt sein. Jedoch erhöht die Verwendung von mehreren Frequenzen oder die Aufnahme von Spektren die Zuverlässigkeit der Messung, und ermöglicht es weiterhin, zusätzliche Informationen über den Zustand der Zelle zu erhalten, beispielsweise die Temperatur oder den Ladezustand der Zelle (ggf. unter Verwendung geeigneter Kalibrierungsdaten bzw. eines entsprechenden Impedanz-Modells der Zelle; hierzu wird auf die eingangs zitierte Literatur verwiesen). In anderen Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, mehrere Frequenzen einzusetzen und/oder Spektren aufzunehmen, um die Präzision zu erhöhen und zusätzlich weitere Diagnosedaten über den Zellzustand zu erhalten.In order to keep the apparatus cost low, the use of a single frequency may be preferred in certain embodiments. However, the use of multiple frequencies or the acquisition of spectra increases the reliability of the measurement, and further allows to obtain additional information about the state of the cell, for example the temperature or the state of charge of the cell (using appropriate calibration data, if applicable) corresponding impedance model of the cell, reference is made to the cited literature). In other embodiments, it is therefore preferable to use a plurality of frequencies and / or to record spectra in order to increase the precision and additionally obtain further diagnostic data on the cell state.
Das Anregungssignal bewirkt als Reaktion ein gleichfalls oszillierendes Antwortsignal, das zur Bestimmung der Impedanz gemessen wird. Falls nur der Betrag der Impedanz ermittelt werden soll, so kann es genügen, lediglich die Amplitude von Anregungs- und Antwortsignal zu bestimmen.The excitation signal causes in response to a likewise oscillating response signal, which is measured to determine the impedance. If only the amount of impedance is to be determined, it may be sufficient to determine only the amplitude of the excitation and response signal.
Die hat jedoch den Nachteil, dass nicht zwischen dem eigentlichen Innenwiderstand der Zelle und induktiven oder kapazitiven Beiträgen unterschieden werden kann. Insbesondere bei höheren Frequenzen kann die Induktivität der Messanordnung selbst eine zunehmende Rolle spielen, so dass die Genauigkeit der Messung leiden kann. Daher ist es bevorzugt, auch den Phasenunterschied zu erfassen (bzw. den Real- und Imaginärteil zu ermitteln), um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen. Hierzu muss die Synchronisierung von Anregungs- und Messsignal gewährleistet sein, d.h. es muss sichergestellt werden, dass kein Versatz des Zeit-Nullpunkts bei Spannungs- und Stromsignalmessung vorliegt, der die zu bestimmende Phasenverschiebung verfälscht, oder der Versatz muss zumindest numerisch ermittelbar sein, um den Wert entsprechend korrigieren zu können.However, this has the disadvantage that it is not possible to distinguish between the actual internal resistance of the cell and inductive or capacitive contributions. Especially at higher frequencies, the inductance of the measuring arrangement itself can play an increasing role, so that the accuracy of the measurement may suffer. Therefore, it is preferable to also detect the phase difference (or to detect the real and imaginary parts) in order to increase the accuracy of the measurement. For this purpose, the synchronization of excitation and measurement signal must be ensured, i. It must be ensured that there is no offset of the time zero point in voltage and current signal measurement, which falsifies the phase shift to be determined, or the offset must be at least numerically determined in order to correct the value accordingly.
Erfindungsgemäß wird die Impedanzmessung kontinuierlich oder getaktet durchgeführt, um die Impedanz Zt zum jeweiligen Zeitpunkt t zu ermitteln und letztlich den zeitlichen Verlauf der Impedanz zu detektieren.According to the invention, the impedance measurement is carried out continuously or clocked in order to determine the impedance Z t at the respective time t and, in the end, to detect the time profile of the impedance.
Im getakteten Fall kann ist das Abtastintervall, d.h. die Zeitspanne zwischen zwei Impedanzmessungen, beispielsweise 2 Minuten oder kürzer, vorzugsweise 1 Minute oder kürzer, stärker bevorzugt 30 s oder kürzer, insbesondere 10 s oder kürzer sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Abtastintervall in Abhängigkeit vom Betriebszustand gewählt werden. Wenn beispielsweise die Zelltemperatur niedrig ist, etwa 20 bis 30°C, und die Wahrscheinlichkeit eines kritischen Betriebszustandes gering ist, können längere Abtastintervalle gewählt werden, wie z.B. 10-20s. Bei höheren Zelltemperaturen von z.B. 40°C oder mehr können kürzere Abtastintervalle wie z.B. 1s oder kürzer gewählt werden.In the clocked case, the sampling interval, i. the time interval between two impedance measurements, for example 2 minutes or shorter, preferably 1 minute or shorter, more preferably 30 s or shorter, in particular 10 s or shorter. In a preferred embodiment, the sampling interval may be selected depending on the operating condition. For example, if the cell temperature is low, about 20 to 30 ° C, and the likelihood of a critical operating condition is low, longer sampling intervals may be selected, such as e.g. 10-20s. At higher cell temperatures of e.g. 40 ° C or more may require shorter sampling intervals, e.g. 1s or shorter.
Detektion kritischer BetriebszuständeDetection of critical operating conditions
Typischerweise sind die normalerweise beim Betrieb auftretenden Impedanzänderungen betragsmäßig gering und verlaufen kontinuierlich über einen längeren Zeitraum, d.h. die Auftragung der Impedanz gegen die Zeit weist keine starken Steigungen auf. Somit deutet ein starker Anstieg der Impedanz in einem kurzen Zeitraum auf einen anormalen Betriebszustand hin.Typically, the impedance changes that normally occur during operation are small in magnitude and run continuously over an extended period, i. the plot of impedance versus time is not steep. Thus, a large increase in impedance in a short period of time indicates an abnormal operating condition.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein solcher Anstieg durch Vergleich des Werts Zt mit einem oder mehreren Referenzwerten Zref bestimmt, wobei Zref ausgewählt ist aus:
- (a) einem zu einem vorherigen Zeitpunkt t-x bestimmten Wert Zt-x, wobei x ein Zeitintervall >0 darstellt;
- (b) einem für die Zelle bei der jeweiligen Zelltemperatur T erwarteten Wert ZT; oder
- (c) einem für den jeweiligen Zeitpunkt t erwarteten Wert Zerw,t, der für die Zelle anhand eines oder mehrerer Betriebsparameter, ausgewählt aus Zelltemperatur, Zellspannung, Laststrom, Ladezustand und Alterungszustand, berechnet wird;
- (a) one at a previous time tx certain value Z tx, where x is a time period> 0 represents;
- (b) a value Z T expected for the cell at the respective cell temperature T ; or
- (c) a value Z erw, t expected for the respective time t, calculated for the cell from one or more operating parameters selected from cell temperature, cell voltage, load current, state of charge and state of aging;
Die Feststellung eines kritischen Betriebszustands erfolgt, wenn der Wert Zt gegenüber einem, mehreren oder allen Zref um einen Wert angestiegen ist, der einen vorbestimmten Schwellenwert von 5% oder mehr überschreitet, beispielswese 5%, 7%, 10%, 15%, 25% oder 50%. Je höher der Anstieg, desto stärker das Indiz für einen kritischen Zustand. Kurz vor dem thermischen Durchgehen der Zelle können Anstiege um 100% oder mehr beobachtet werden.The determination of a critical operating condition occurs when the value Z t has increased against one, several or all Z ref by a value exceeding a predetermined threshold value of 5% or more, for example 5%, 7%, 10%, 15%, 25% or 50%. The higher the rise, the stronger the indication of a critical condition. Shortly before passing through the cell, increases of 100% or more can be observed.
Vorzugsweise können daher für jeden Referenzwert auch mehrere Schwellenwerte zum Einsatz kommen, die unterschiedlichen Warnstufen für einen kritischen Zustand entsprechen. Je nach Warnstufe kann das Batteriemanagementsystem unterschiedlich reagieren. Beispielsweise kann bei einer niedrigen Warnstufe die Zelle nur temporär vom Bordnetz getrennt werden, während bei einer hohen Warnstufe das gesamte Zellenpaket stillgelegt wird.Therefore, for each reference value, it is also possible to use a plurality of threshold values which correspond to different warning levels for a critical state. Depending on the warning level, the battery management system may react differently. For example, at a low warning level, the cell can only be temporarily disconnected from the electrical system, while at a high warning level, the entire cell pack is shut down.
Falls mehrere Referenzwerte zum Einsatz kommen, so können die Schwellenwerte für die unterschiedlichen Referenzwerte unterschiedlich sein. Die Wahl des Schwellenwerts kann dabei auch von der Art des jeweiligen Referenzwerts Zref abhängen.If multiple reference values are used, the thresholds for the different reference values may be different. The choice of the threshold value may also depend on the type of the respective reference value Z ref .
Ein möglicher Referenzwert ist der Wert der Impedanz zu einem früheren Zeitpunkt x, Zt-x. x kann beispielsweise 10 Minuten oder weniger betragen. Es können auch mehrere Zt-x mit unterschiedlichen x eingesetzt werden. Typischerweise ist ein Impedanzanstieg ein umso stärkeres Indiz für einen kritischen Betriebszustand, je kürzer das Zeitintervall ist, in dem der Anstieg erfolgt. Daher können für kürzere Zeitintervalle x niedrigere Schwellenwerte angesetzt werden.A possible reference value is the value of the impedance at an earlier time x, Z tx . For example, x may be 10 minutes or less. It is also possible to use several Z tx with different x. Typically, the shorter the time interval in which the increase occurs, the more indicative of a critical operating condition is an impedance increase. Therefore, lower thresholds can be set for shorter time intervals x.
Umgekehrt kann ein solcher Impedanzanstieg in einem kurzen Zeitraum auch andere Ursachen haben, beispielsweise ein schneller Abfall der Temperatur. Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren daher zusätzlich geprüft, ob die Überschreitung des Schwellenwertes mit einem gleichzeitigen Abfall der Zelltemperatur einhergeht, um falsch-positive Meldungen zu vermeiden. Beispielsweise kann dazu die Wahl des Schwellenwertes in Abhängigkeit von der im Zeitintervall t-x stattgefundenen Temperaturänderung erfolgen. Bei einer Temperaturabnahme können höhere Schwellenwerte angesetzt werden und bei einer Temperaturzunahme niedrigere Schwellenwerte.Conversely, such an increase in impedance in a short period of time may have other causes, such as a rapid drop in temperature. Preferably, it is therefore additionally checked in the method according to the invention whether the excess of the threshold value is accompanied by a simultaneous drop in the cell temperature in order to avoid false-positive messages. For example, this can be done by selecting the threshold value as a function of the temperature change taking place in the time interval t-x. With a temperature decrease higher threshold values can be set and with a temperature increase lower threshold values.
Wird ein anormaler Impedanzanstieg festgestellt, beispielsweise um 10% oder mehr in 10 Minuten oder weniger, insbesondere in 5 Minuten oder weniger, speziell in 3 Minuten oder weniger, so deutet dies auf einen kritischen Betriebszustand hin, insbesondere auf das Auftreten eines lokal begrenzten Defekts, der zur Elektrolytzersetzung und damit Verringerung der Elektrolytleitfähigkeit führt. Ein lokal begrenztes Ansprechen des Shutdown-Separators geht typischerweise mit noch höheren Impedanzanstiegen einher, beispielsweise um mehr als 50% in 5 Minuten oder weniger.If an abnormal increase in impedance is detected, for example by 10% or more in 10 minutes or less, in particular in 5 minutes or less, especially in 3 minutes or less, this indicates a critical operating condition, in particular the occurrence of a localized defect, which leads to the electrolyte decomposition and thus reduction of the electrolyte conductivity. A localized response of the shutdown separator is typically associated with even higher impedance increases, for example, more than 50% in 5 minutes or less.
Ein solcher anormaler Impedanzanstieg kann frühzeitig mit dem Eintreten des kritischen Zustandes detektiert werden, typischerweise deutlich vor dem Auftreten eines mit dem kritischen Zustand einhergehenden Temperaturanstiegs des Zellengehäuses, einem anormalen Druckanstieg oder dem Auslösen eines Sicherheitsventils. Somit kann die entsprechende Zelle frühzeitig erkannt und gegebenenfalls abgeschaltet werden, und ein thermisches Durchgehen wird verhindert.Such an abnormal increase in impedance may be detected early with the onset of the critical condition, typically well before the occurrence of a critical condition of the temperature rise of the cell case, an abnormal increase in pressure or the triggering of a safety valve. Thus, the corresponding cell can be detected early and switched off if necessary, and thermal runaway is prevented.
Ein weiterer möglicher Referenzwert ist der für die Zelle bei der jeweiligen zum Zeitpunkt t gemessenen Zelltemperatur T erwarteten Wert ZT. Hierzu kann für die Zelle (bzw. für den jeweiligen Zelltyp) eine vorbekannte Eichkurve aufgenommen werden, die die Impedanz in Abhängigkeit von der Zelltemperatur widergibt.Another possible reference value is the value Z T expected for the cell at the respective cell temperature T measured at time t. For this purpose, a previously known calibration curve can be recorded for the cell (or for the respective cell type), which reflects the impedance as a function of the cell temperature.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird die gleichzeitig die Zellentemperatur T gemessen, beispielsweise durch einen am Gehäuse oder im Inneren der Zelle angebrachten Sensor. Der Referenzwert ZT wird dann der vorbekannten Eichkurve entnommen. Auf diese Weise kann das Impedanz-Temperaturverhalten bestimmt werden, und kritische Betriebszustände können als Umkehrung des normalen Verhaltens detektiert werden.In carrying out the method, the cell temperature T is simultaneously measured, for example by a sensor attached to the housing or inside the cell. The reference value Z T is then taken from the previously known calibration curve. In this way, the impedance-temperature behavior can be determined, and critical operating conditions can be detected as a reversal of normal behavior.
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Vermeidung von falsch-positiven Ergebnissen wird der zeitliche Verlauf der Impedanz vorzugsweise mit ein oder mehreren weiteren Betriebsparametern korreliert, beispielsweise Temperatur, Laststrom, Lastspannung, Ladungszustand oder Alterungszustand. Diese Parameter können entweder direkt gemessen werden, oder sie können durch das Batteriemanagementsystem anhand der Messwerte und der während des Betriebs gesammelten Daten nach an sich bekannten Verfahren bestimmt werden.To improve the reliability and avoid false-positive results, the time course of the impedance is preferably correlated with one or more other operating parameters, such as temperature, load current, load voltage, state of charge or state of aging. These parameters can either be measured directly or they can be determined by the battery management system based on the measurements and the data collected during operation according to known methods.
Vorzugsweise sind die Auswirkungen der zu korrelierenden Betriebsparameter auf die Impedanz bekannt, so dass ein anomales Verhalten auch als Abweichung vom aufgrund der Parameter erwarten Wert (Zerw,t) festgestellt werden kann. Speziell ist es auch möglich, für einen durch die Betriebsbedingungen der Zelle (z.B. Ladungszustand, Last und Temperatur) aufgespannten Parameterraum Impedanz-Kennlinien oder Impedanz-Spektren aufzunehmen und in der Messeinrichtung zu hinterlegen oder anhand eines Impedanz-Modells vorauszuberechnen, und abnorme Abweichungen bzw. Erhöhungen der unter den aktuellen Bedingungen tatsächlich gemessenen Impedanz zu detektieren.Preferably, the effects of the operating parameters to be correlated on the impedance are known, so that an abnormal behavior can also be determined as a deviation from the value expected based on the parameter (Z out , t ). In particular, it is also possible to record impedance characteristics or impedance spectra for a parameter space spanned by the operating conditions of the cell (eg charge state, load and temperature) and to predetermine them in the measuring device or to predict them using an impedance model, and abnormal deviations or Detect increases in the impedance actually measured under the current conditions.
Verschaltung von Zellen und MessanordnungInterconnection of cells and measuring arrangement
Bevorzugt wird das Verfahren für Zellen mit Shutdown-Separator eingesetzt, um eine beginnende, ggf. lokal begrenzte Auslösung des Shutdown-Effekts als Impedanzanstieg detektieren zu können. Allerdings kann das Verfahren auch in Zellen ohne Shutdown-Separator verwendet werden, um kritische Betriebszustände, wie sie beispielsweise durch eine thermische Zersetzung des Elektrolyten verursacht werden, festzustellen.Preferably, the method is used for cells with shutdown separator to a beginning, possibly locally limited triggering of the shutdown effect to be detected as an impedance increase. However, the method can also be used in cells without a shutdown separator to detect critical operating conditions, such as those caused by thermal decomposition of the electrolyte.
Die Verschaltung von Lithiumionenzellen und Messanordnung unterliegt dabei keinen prinzipiellen Beschränkungen. Typischerweise sind die einzelnen Zellen seriell und/oder parallel zu Batterie-Packs verschaltet. Die Impedanzmessung und Detektion eines kritischen Betriebszustands kann erfindungsgemäß für jede einzelne Zelle eines Batterie-Packs einzeln, für mehrere Zellen zusammen oder auch für alle Zellen des Batterie-Packs gemeinsam erfolgen.The interconnection of lithium-ion cells and measuring arrangement is not subject to any fundamental restrictions. Typically, the individual cells are connected in series and / or parallel to battery packs. According to the invention, the impedance measurement and detection of a critical operating state can be carried out individually for each individual cell of a battery pack, for several cells together or also for all cells of the battery pack.
Bei einer gleichzeitigen Messung für mehrere oder alle Zellen ist zwar der apparative Aufwand niedriger, jedoch sinkt auch die Präzision, da die Impedanz über mehrere Zellen gemittelt wird und der Impedanzanstieg weniger genau detektiert werden kann. Auch kann in diesem Fall die defekte Zelle nicht einfach lokalisiert werden. Daher ist es bevorzugt, die Impedanz für jede Zelle einzeln zu messen.Although a simultaneous measurement for several or all cells, the expenditure on equipment is lower, but also reduces the precision because the impedance is averaged over several cells and the impedance increase can be detected less accurately. Also, in this case, the defective cell can not be easily located. Therefore, it is preferable to measure the impedance individually for each cell.
Zweckmäßigerweise sind die Zellen hierzu in Vierpunktkontaktierung (Kelvin-Kontaktierung) verschaltet, mit separaten Anschlüssen für Strom und Spannung. In üblichen Batterie-Packs des Standes der Technik kann eine solche Kontaktierung im Hinblick auf Spannungsüberwachung und Ausgleich des Ladungszustandes (Balancing) ohnehin vorgesehen sein. Daher lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne großen Aufwand mit bestehenden Batterie-Packs kombinieren.The cells are expediently connected in four-point contacting (Kelvin contacting), with separate terminals for current and voltage. In conventional battery packs of the prior art, such contacting can be provided in any case with regard to voltage monitoring and balancing of the state of charge (balancing). Therefore, the inventive method can be combined with existing battery packs without much effort.
In der in
Alternativ dazu kann die Anregung nicht durch die Messeinrichtung selbst, sondern global von außen erfolgen. Hierzu kann das Anregungssignal auf den Laststrom aufmoduliert werden. Eine solche Anordnung ist in
In der Anordnung gemäß
Hinsichtlich der Messeinrichtung selbst bestehen keine speziellen Beschränkungen, solange sie zur Messung eines Wechselstrom- bzw. Spannungssignals in der entsprechenden Frequenz geeignet ist. Beispielsweise kann eine Batterieüberwachungseinheit, wie sie ohnehin für die Überwachung von Strom, Spannung und anderen Betriebsparametern wie Temperatur eingesetzt wird, für diesen Zweck verwendet werden. Falls sie nicht ohnehin bauartbedingt zur Wechselstrommessung in der Lage ist, wäre die Batterieüberwachungseinheit gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Wechselstrom-Messeinheit, beispielsweise aus Hochpass-Filter und A/D-Wandler, zu versehen. Wenn das Anregungssignal in der Messeinrichtung selbst erzeugt werden soll, so ist gegebenenfalls weiterhin ein entsprechender Signalgenerator vorzusehen.With respect to the measuring device itself, there are no particular restrictions as long as it is suitable for measuring an AC or voltage signal in the corresponding frequency. For example, a battery monitoring unit, as used anyway for the monitoring of current, voltage and other operating parameters such as temperature, can be used for this purpose. If it is not already able to measure the alternating current in any case, the battery monitoring unit would possibly be provided with an additional alternating current measuring unit, for example a high-pass filter and A / D converter. If the excitation signal is to be generated in the measuring device itself, it may be necessary to provide a corresponding signal generator.
Die Ermittlung der Impedanz aus den Signalen und/oder die Detektion des kritischen Betriebszustands durch Vergleich des Impedanz-Messwerts mit dem oder den Referenzwerten kann wahlweise bereits in der Messeinrichtung selbst erfolgen, sie kann in das Steuergerät für das Batteriemanagement integriert sein, oder sie kann mithilfe eines separaten Steuergeräts durchgeführt werden.The determination of the impedance from the signals and / or the detection of the critical operating state by comparison of the impedance measured value with the reference values or can take place optionally already in the measuring device itself, it can be integrated into the control unit for battery management, or it can help a separate controller are performed.
BeispieleExamples
Materialmaterial
Für die Tests wurden Lithiumionenzellen im PHEV1-Format mit 21 Ah Nennkapazität eingesetzt (Kathode: NMC, Anode: Graphit), die mit einem Shutdown-Separator (Celgard
Zur Messung der Temperatur waren die Zellen mit zwei Temperatursensoren versehen, von denen der erste direkt am Gehäuse angebracht war. Der zweite Sensor war schwebend oberhalb des Überdruckventils angebracht, um die Temperaturzunahme aufgrund austretender Zersetzungsgase detektieren zu können. Die jeweils gemessenen Temperaturen werden mit „TCan“ bzw. „TVent“ bezeichnet.To measure the temperature, the cells were provided with two temperature sensors, the first of which was attached directly to the housing. The second sensor was suspended above the pressure relief valve to detect the temperature increase due to exiting decomposition gases. The measured temperatures are called "T Can " or "T Vent ".
Die Zellen wurden mit einem Impedanzmessgerät (Hioki HiTester) in Vierpunktkontaktierung versehen. Die Anregungsfrequenz betrug 1kHz. Die Tests wurden mit vollständig geladenen Zellen im unbelasteten Zustand durchgeführt. The cells were equipped with an impedance meter (Hioki HiTester) in four-point contact. The excitation frequency was 1kHz. The tests were performed with fully charged cells in the unloaded state.
Test
In einer ersten Testreihe wurde die Zelle in einem Ofen platziert und die Temperatur wurde mit einer Rate von 5°C/min auf 200°C erhöht. Es wurden jeweils die Temperaturen TCan bzw. TVent (°C) und der Betrag der Impedanz (mΩ) gemessen. Der Test wurde mit insgesamt drei Zellen durchgeführt.In a first series of tests, the cell was placed in an oven and the temperature was raised to 200 ° C at a rate of 5 ° C / min. In each case the temperatures T Can or T Vent (° C) and the amount of the impedance (mΩ) were measured. The test was carried out with a total of three cells.
Bis zu diesem Zeitpunkt zeigte das äußere Erscheinungsbild der Zelle noch keine Anomalien. Ein Auslösen des Überdruckventils wurde erst nach etwa 63 Minuten festgestellt (Punkt (
Test
Um die Auswirkung einer inhomogenen Erwärmung zu untersuchen, wurden die Zellen in einer zweiten Testreihe auf einer Heizplatte platziert und mit maximaler Heizleistung erwärmt. Der Temperaturanstieg betrug im Mittel etwa 10°C/min oder mehr. Der Test wurde wiederum mit insgesamt drei Zellen durchgeführt. In order to investigate the effect of inhomogeneous heating, the cells were placed on a hotplate in a second series of tests and heated with maximum heating power. The temperature increase was on average about 10 ° C / min or more. The test was again carried out with a total of three cells.
Der Umkehrpunkt (
Korrelation von Temperatur und ImpedanzCorrelation of temperature and impedance
Diskussiondiscussion
Die durchgeführten Tests zeigen, dass bereits deutlich vor dem Ausläsen des Überdruckventils (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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