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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur in-situ-Messung der Temperatur in einer Energiespeicherzelle, sowie eine Energiespeicherzelle, die dazu eingerichtet ist, die Temperatur in der Energiespeicherzelle außerhalb der Energiespeicherzelle zu messen.
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Nach dem Stand der Technik kann die Temperatur innerhalb einer Energiespeicherzelle, z.B. innerhalb einer Lithium-Ionen-Zelle, mit Temperatursensoren, die auf dem Prinzip der temperaturabhängigen Änderung des elektrischen Widerstands basieren, ermittelt werden. Hierbei kommen Thermoelemente oder Thermistoren zum Einsatz, siehe z.B. das Dokument „In Situ Monitoring of Temperature inside Lithium-Ion Batteries by Flexible Micro Temperature Sensors" von Lee et al. in Sensors 2011, 11, Seiten 9942-9950. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass ein Zellgehäuse der Energiespeicherzelle von elektrischen Leitungen durchdrungen oder durchsetzt werden muss, um die innerhalb der Zelle vorherrschende Temperatur außerhalb der Zelle während des Zellbetriebs, d.h. in-situ, messen zu können.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Vorrichtung zur in-situ-Messung der Temperatur in einer Energiespeicherzelle sowie eine alternative Energiespeicherzelle, die dazu geeignet ist, dass die Temperatur in der Energiespeicherzelle außerhalb der Energiespeicherzelle gemessen werden kann, bereitzustellen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 3. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung innerhalb eines Zellgehäuses der Energiespeicherzelle integrierbar, es umfasst die Vorrichtung ein thermochromes Material und die Vorrichtung ist so ausgebildet, dass eine spektral-optische Eigenschaft des thermochromen Materials räumlich außerhalb der Energiespeicherzelle ermittelbar ist.
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Es ist ein thermochromes Material in die Energiespeicherzelle integriert. Ein thermochromes Material weist temperaturabhängige spektral-optische Eigenschaften auf, wobei das Material seine Farbgebung in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Je nach Art des thermochromen Materials kann dies auf geänderten Lichtabsorptionseigenschaften infolge geänderter Molekülzustände einer thermochromen Verbindung (wie z.B. von Leukofarbstoffen oder Flüssigkristallen) oder von Phasenübergangen (wie z.B. bei Vanadiumdioxid) sein.
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Fällt Licht z.B. aus dem sichtbaren Spektrum auf das thermochrome Material kommt es zu einer Licht-Materie-Wechselwirkung mit dem thermochromen Material, die für die im Zellinneren vorherrschende Temperatur charakteristisch ist. Vornehmlich kommt es am Beispiel von Leukofarbstoffen zu einer charakteristischen Lichtabsorption. Das von dem thermochromen Material reflektierte Licht aus dem sichtbaren Spektrum sowie das ggf. vom thermochromen Material emittierte Licht enthält in seiner spektralen Verteilung eine Information über die Zelltemperatur. Das von dem thermochromen Material kommende Licht erscheint im Farbeindruck insbesondere in der Komplementärfarbe zu der Farbe des charakteristisch absorbierten Lichts. Diese spektral-optische Eigenschaft, insbesondere eine Farbgebung des Materials, ist räumlich außerhalb der Zelle erkennbar oder detektierbar.
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Als Beispiele für thermochrome Materialien können thermochrome Leukofarbstoffe, etwa auf der Basis von Mischungen von organischen Flüssigkristallverbindungen genannt werden. Flüssigkristalle sind klassische Repräsentanten für farblich skalierbare, d.h. optisch „maßgeschneiderte“, thermochrome Verbindungen. Mit derartigen Verbindungen können je nach Mischung kontinuierliche Farbübergänge in einem vorgebbaren Temperaturband in Abhängigkeit von der Temperatur realisiert werden.
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Die thermochromen Eigenschaften des Materials können alternativ auch im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen. Als Beispiel kann die Verbindung Vanadiumdioxid genannt werden, die oberhalb von ca. 68 °C vor allem im Infrarotbereich elektromagnetische Strahlung reflektiert und unterhalb dieser Temperatur diese Strahlung transmittiert.
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Nach dem Wesen der Erfindung wird das thermochrome Material genutzt, um eine bestimmte elektromagnetische Strahlung - auch Auslesestrahlung genannt - hinsichtlich deren spektraler Verteilung durch deren Wechselwirkung mit dem thermochromen Material zu modifizieren und das modifizierte Spektrum von dem thermochromen Material kommender elektromagnetischer Strahlung - auch Detektionsstrahlung genannt - zur Temperaturbestimmung außerhalb der Zelle zu nutzen. Das modifizierte Spektrum wird gemäß der Erfindung hinsichtlich dessen spektraler Verteilung außerhalb der Energiespeicherzelle für eine Temperaturbestimmung ausgewertet, was eine in-situ Messung der Zelltemperatur räumlich außerhalb der Energiespeicherzelle ermöglicht. Die Auslesestrahlung und die Detektionsstrahlung können optional im spektral sichtbaren Bereich liegen. Bei den beispielhaft beschriebenen Flüssigkristallverbindungen ist dies insbesondere der Fall.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine elektrische Lichtquelle umfasst, die dazu eingerichtet ist, Licht auf das thermochrome Material zu senden, und an die elektrische Lichtquelle die elektrochemische Potentialdifferenz der Energiespeicherzelle anlegbar ist, so dass die elektrische Lichtquelle durch die elektrochemische Spannung der sekundären Energiespeicherzelle betreibbar ist.
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Ferner wird eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle mit einem Zellgehäuse beschrieben, wobei innerhalb des Zellgehäuses ein thermochromes Material integriert ist. Das Zellgehäuse ist wenigstens abschnittsweise zumindest teildurchlässig für Licht, so dass eine spektral-optische Eigenschaft des thermochromen Materials außerhalb der Energiespeicherzelle ermittelbar ist, um eine Temperatur in einer Energiespeicherzelle außerhalb der Energiespeicherzelle zu messen.
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Eine derartige Energiespeicherzelle ermöglicht, dass die Detektionsstrahlung durch das Zellgehäuse aus dem Inneren der Zelle nach außen dringt. Hierfür ist das Zellgehäuse zumindest abschnittsweise durchlässig für Licht. Mit dem Begriff „Abschnitt“ ist beispielsweise ein Sichtfenster im Zellgehäuse abgedeckt, das zumindest teildurchlässig für die Detektionsstrahlung ist. Beispielsweise kann eine Glasscheibe in das Zellgehäuse eingearbeitet sein, wobei gängige Glas-Metall-Verbindungstechniken zum Einsatz kommen, um die Zelle abzudichten. Vorteilhaft an dieser Lösung ist, dass keine Leitungen wie etwa elektrische Leitungen durch das Zellgehäuse von innen nach außen geführt werden müssen, um außerhalb der Zelle eine Informationen zur Zelltemperatur enthaltende Größe, d.h. hier die Detektionsstrahlung, verfügbar zu machen. Die verfügbare Information bezieht sich auf die Temperatur am Ort des thermochromen Materials, d.h. die Temperatur innerhalb des Zellgehäuses - etwa direkt an einem Zellwickel.
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Gemäß einer weiteren Ausprägung der Erfindung weist das Zellgehäuse ein optisches Koppelelement auf, wobei das Zellgehäuse im Bereich des optischen Koppelelements zumindest teildurchlässig für Licht ist und wobei an das Koppelelement ein außerhalb der Zelle befindlicher Lichtleiter anschließbar ist.
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Nach dieser Ausprägung kann ein Lichtleiter an der Zelle von außen angeschlossen werden, wobei durch das optische Koppelelement Licht aus dem Zellinneren, das im Bereich des Koppelelements nach außen tritt, in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die Detektionsstrahlung kann also mittels eines Lichtleiters außerhalb der Zelle gezielt an andere Orte übermittelt werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Zelle beispielsweise in einen eine Batterie bildenden Zellverbund integriert ist, und die Detektionsstrahlung außerhalb der Batterie analysiert werden soll.
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Weiterhin wird ein System mit einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle angegeben. Das System umfasst eine Lichtquelle außerhalb der Energiespeicherzelle, wobei das thermochrome Material durch das wenigstens abschnittsweise und zumindest für Licht teildurchlässige Zellgehäuse mit von der Lichtquelle emittiertem Licht beleuchtbar ist, um eine Lichtantwort von dem thermochromen Material zu induzieren; das System umfasst ein Lichtsensormittel außerhalb der Energiespeicherzelle, das dazu eingerichtet ist, die Lichtantwort zu detektieren und spektral zu analysieren, um die Temperatur in der Energiespeicherzelle zu messen.
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Die Lichtantwort umfasst die Detektionsstrahlung. Die Lichtantwort wird angeregt durch eine außerhalb der Zelle erzeugte Auslesestrahlung. Erzeugt wird die Auslesestrahlung von der außerhalb der Energiespeicherzelle befindlichen Lichtquelle. Die Auslesestrahlung wird von außen durch das wenigstens abschnittsweise und zumindest für Licht teildurchlässige Zellgehäuse auf das thermochrome Material innerhalb der Zelle gerichtet. Die Lichtantwort des thermochromen Materials ist von dem Lichtsensormittel außerhalb des Zellgehäuses spektral analysierbar, um anhand einer im Lichtsensormittel hinterlegbaren Korrelation zwischen der Zelltemperatur und den spektralen Anteilen in der Detektionsstrahlung die Zelltemperatur zu ermitteln. Die Zelle ermöglicht den Austritt der Detektionsstrahlung aus dem Zellgehäuse aufgrund mittels der wenigstens abschnittsweise und zumindest teilweisen Lichtdurchlässigkeit. Unter Lichtdurchlässigkeit wird die zumindest teilweise Transmission des Lichtes verstanden. Diese Transmission ist spektral möglichst unselektiv, um die spektrale Verteilung der Detektionsstrahlung nicht zu modifizieren.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Energiespeicherzelle eine elektrische Lichtquelle umfasst, die dazu eingerichtet ist, Licht auf das thermochrome Material zu senden.
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Auf diese Weise wird die Auslesestrahlung innerhalb des Zellgehäuses erzeugt und auf das thermochrome Material gerichtet. Die dazu eingesetzte Lichtquelle kann idealerweise von der Energiespeicherzelle selbst gespeist werden. Dazu greift die elektrische Lichtquelle die Potentialdifferenz der Elektroden der Energiespeicherzelle im Inneren der Zelle ab. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche elektrische Energiequelle notwendig ist, um die Lichtquelle elektrisch zu versorgen. Die Zelle selbst, deren Temperatur im Inneren bestimmt werden soll, dient als Energiequelle für die Lichtquelle.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung weist das Zellgehäuse ein optisches Koppelelement auf, in dessen Bereich das Zellgehäuse zumindest teildurchlässig für Licht ist, um an das Koppelelement einen außerhalb der Zelle befindlicher Lichtleiter anschließen zu können.
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Die Detektionsstrahlung, die von der Lichtantwort des thermochromen Materials umfasst ist, tritt also im Bereich des optischen Koppelelements aus dem Zellgehäuse aus und wird in einen Lichtleiter eingekoppelt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst das System ein Lichtsensormittel außerhalb der Energiespeicherzelle, das dazu eingerichtet ist, - wenn die elektrische Lichtquelle innerhalb der Energiespeicherzelle Licht auf das thermochrome Material sendet, um eine Lichtantwort von dem thermochromen Material zu induzieren -, die Lichtantwort zu detektieren und spektral zu analysieren, um die Temperatur in der Energiespeicherzelle zu messen.
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Die Lichtquelle innerhalb der Zelle kann also Auslesestrahlung emittieren und auf das thermochrome Material senden. Dessen Lichtantwort, die die Detektionsstrahlung umfasst, kann von dem Lichtsensormittel außerhalb des Zellgehäuses spektral analysiert werden, um anhand einer im Lichtsensormittel hinterlegbaren Korrelation zwischen der Zelltemperatur und den spektralen Anteilen in der Detektionsstrahlung die Zelltemperatur zu ermitteln.
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Ein derartiges Lichtsensormittel kann insbesondere ein Sensorarray umfassen. Ein solches Array ist insbesondere in solchen Systemen vorteilhaft, die eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen umfassen, an die jeweils ein Lichtleiter von außen anschließbar ist. Die mehreren Lichtleiter sind mit dem Sensorarray verbunden, wobei jedem Einzelsensor des Arrays ein Lichtleiter und damit eine Energiespeicherzelle zugeordnet ist, um parallel in-situ eine Mehrzahl an Zelltemperaturen bestimmen zu können. Gemäß einer vereinfachten Ausführung werden mehrere Lichtleiter auf einen Einzelsensor geführt, um zunächst eine „Summentemperatur“ für der mehreren Energiespeicherzellen bestimmen zu können und auf Basis der Anzahl der zugeordneten Energiespeicherzellen eine mittlere Temperatur dieser Zellen zu bestimmen.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
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Der thermische Zustand von Energiespeicher- bzw. Batteriezellen ist für den Betrieb solcher Zellen von enormer Bedeutung. So werden z.B. in Hochvoltbatterien von Elektrofahrzeugen eingesetzte Energiespeicherzellen mit Hilfe von elektrischen Temperatursensoren überwacht. Diese sind üblicherweise außerhalb der Zellen positioniert, um das Zellgehäuse nicht zu durchdringen, und überwachen meist mehrere Zellen gleichzeitig. Durch den Abstand des Meßorts vom Zellinneren, dessen Temperatur eigentlich gemessen werden soll, ergibt sich eine zeitliche Verzögerung des Messwerts, der zudem nur näherungsweise eine exakte Ermittlung der Temperatur im Zellinneren zulässt. Dies bedeutet, dass ein Temperaturoffset beim Betrieb der Zellen als Puffer berücksichtigt werden muss, um möglichen Meßfehler auf dem thermischen Pfad entgegen zu wirken. Da zudem meist mehrere Zellen zusammengefasst sind, kommt es zu einer Durchschnittswertbildung über mehrere Zellen, d.h. nicht die Temperatur einer jeden Zelle wird einzeln ermittelt. Einzeln abweichende, auffällige Zellen werden somit nicht schnell und sicher erkannt.
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Es wird eine Maßnahme vorgeschlagen, die eine das Zellgehäuse versehrende in-situ-Messung der Zelltemperatur eine (jeden) Zelle ermöglicht. Dazu wird in jede Zelle eine thermochrome Schicht eingebracht, die den Temperaturwert der Zelle wiedergibt. Von jeder Zelle führt ein Lichtleiter zu einem gemeinsamen Sensor. Die Lichtleiter werden zu einem Bündel zusammengefasst und zu einem farbempfindlichen Sensor geführt. In den Lichtleiter wird von dem thermochromen Material kommendes Licht eingekoppelt. Der Lichtleiter durchdringt das Zellgehäuse nicht. Das Zellgehäuse ist stattdessen an zumindest einem Abschnitt für das austretende Licht zumindest teiltransparent, z.B. durch ein eingearbeitetes Sichtfenster im Zellgehäuse. Ein Sichtfenster ist mit gängigen Techniken der Materialverbindung in das Zellgehäuse integrierbar. Die dauerhafte Dichtigkeit ist damit besser als mit Durchführungen des Lichtleiters durch das Zellgehäuse gewährleistbar.
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Der Sensor kann, wenn er z.B. ähnlich einer Fotokamera oder als Fotosensorarray aufgebaut ist, die Temperatur jeder Zelle anhand ihres Farbwerts detektieren und eine Zuordnung des Temperaturwerts zu jeder Zelle ermöglichen.
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Die vorgeschlagene Maßnahme macht die Temperaturüberwachung im Inneren einer Zelle möglich. Ein Temperaturoffset beim Betrieb der Zellen kann entfallen. Der Temperaturbereich kann beim Zellbetrieb somit erweitert werden, so dass eine bessere Nutzung der Zellen möglich ist.
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Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen stehen für gleiche technische Gegenstände. Im Einzelnen zeigen schematisch:
- 1 Energiespeicherzelle mit thermochromem Material und Sichtfenster
- 2 System mit einer Energiespeicherzelle, die thermochromes Material enthält, mit einer Lichtquelle und einem Lichtsensormittel.
- 3 System mit einer Energiespeicherzelle, die thermochromes Material und eine Lichtquelle enthält, und mit einem Lichtsensormittel.
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Es zeigt 1 eine Lithium-Ionen-Zelle, die als sekundärer Energiespeicher eingesetzt wird. Die Zelle umfasst ein Zellgehäuse (1). In der Zelle befinden sich neben den üblichen Zellkomponenten wie Elektroden, Separator, Elektrolyt, Ableiter, usw. ein thermochromes Material (2). Das thermochrome Material ist auf eine Kunststofffolie beschichtet und durch eine weitere Kunststofffolie geschützt, um durch eine hohe Widerstandsfähigkeit eine lange Lebensdauer innerhalb der Zelle zu haben. Das thermochrome Material umfasst eine Mischung von organischen Flüssigkristallverbindungen. Das Material ändert temperaturabhängig die Farbe im optisch sichtbaren Spektrum. Das Zellgehäuse weist ein Sichtfenster (3) auf, das für Licht durchlässig ist. Von außen in die Zelle eindringendes sichtbares Licht (8) wechselwirkt mit dem thermochromen Material. Die Lichtantwort (9) des thermochromen Materials enthält eine Temperaturinformation in Form seiner Farbgebung. Die Färbung ist mit dem menschlichen Auge wahrnehmbar und vermittelt Temperaturwert innerhalb der Zelle, da der Farbeindruck des Lichts zumindest mit bestimmten Temperaturbändern korreliert.
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2 zeigt zusätzlich ein optisches Koppelelement (4), das es ermöglicht, einen Lichtleiter (5) an dem Sichtfenster anzubringen. Die Lichtantwort des thermochromen Materials kann also in den Lichtleiter eingekoppelt werden. Außerhalb der Zelle ist eine Ausleselichtquelle (6) befindlich, die Licht erzeugt und über den Lichtleiter durch das Sichtfenster auf das thermochrome Material richtet. In den gleichen Lichtleiter wird die Lichtantwort eingekoppelt und zu einem Lichtspektrometer (7) als Lichtsensormittel geführt, das das Spektrum der Lichtantwort spektral analysiert, so dass anhand der spektralen Intensitätsverteilung der Lichtantwort eine zu dieser Verteilung hinterlegten Temperatur zuordenbar ist.
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Nach 3 ist die Ausleselichtquelle (10) in der Zelle befindlich, wobei die Ausleselichtquelle von den Terminals der Zelle (11; 12) im Inneren der Zelle elektrisch versorgt wird. Die Ausleselichtquelle richtet im Zellinneren Licht (13) auf das thermochrome Material, wobei die Lichtantwort (14) des thermochromen Materials auf das Sichtfenster (3) fällt und an dem optischen Koppelelement in einen Lichtleiter (20) eingekoppelt wird. Das Licht wird zu einem Lichtspektrometer (21) geführt, welches die Lichtantwort spektral analysiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „In Situ Monitoring of Temperature inside Lithium-Ion Batteries by Flexible Micro Temperature Sensors“ von Lee et al. in Sensors 2011, 11, Seiten 9942-9950 [0002]
