專利名稱：用于向電池施加壓力的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于向電池施加壓力的方法和裝置，所述電池包括至少一個或多個電芯，用于減小由于不同的電池充電狀態(tài)而出現(xiàn)的對功能的影響。
背景技術(shù)：
用于儲存電能的電池，特別是鋰離子電池，在充電時膨脹，在放電時收縮。這些體積或長度變化取決于鋰離子進(jìn)出電極的活性材料中的過程。由于鋰進(jìn)到碳材料中，材料膨脹。這種體積增大在電芯具有相應(yīng)的變形性的情況下經(jīng)由電池電芯套筒被進(jìn)一步向外傳遞，并因此導(dǎo)致電池的至少一個幾何尺寸的變化；特別是在電池包括多個電芯的情況下。在電池被實施為具有基本上為剛性的殼體的情況下，碳材料的膨脹導(dǎo)致在各個電池電芯中的壓應(yīng)力形成。這可能導(dǎo)致由于電極材料的膨脹和收縮，使設(shè)置在電芯中的各個層(金屬層、陰極材料、隔板、陽極材料，以及在必要時的箔)受到機(jī)械負(fù)載。其結(jié)果是電池中的電阻升高，以及有效功率因此減小。為了避免所描述的機(jī)械負(fù)載，已知如在圖1中所示地施加恒定的擠壓力。在圖1 中示出了具有多個電芯11的電池10，其中電芯11以組群或堆疊的方式設(shè)置。通過設(shè)置在電芯組上方和下方的凸緣12，能夠向電芯11中傳入恒定的壓力16。由此在電芯之間產(chǎn)生控制的反作用力17。該恒定的擠壓力應(yīng)避免電極材料上的各個層的不希望的脫離。這種恒定的擠壓力特別被用在混合動力車輛的電池電芯中。這些電芯大多以平均30%至70%，通常是50%的充電狀態(tài)(State of Charge, S0C)來工作。被設(shè)置用于電動車輛的鋰離子電池以0至100%的充電狀態(tài)進(jìn)行工作。用于電動車輛的電池也可以被構(gòu)造為與混合動力車輛的電池類似。因為在較大的充電狀態(tài)下體積增加，以及在較小的充電狀態(tài)下體積減小，所以用于電動車輛的電池的電芯在局部出現(xiàn)顯著的體積膨脹和體積收縮。這是由于通過在車輛加速時的放電和在制動的回收工作時的充電引起的持續(xù)交替的負(fù)載而產(chǎn)生的。然而，由于在恒定的壓力下對電池電芯的猛烈壓縮(而不改變原電芯堆的長度)， 特別是在電芯內(nèi)部的活性材料出現(xiàn)強(qiáng)烈的體積增大和體積減小時可能導(dǎo)致隔板被過強(qiáng)地壓縮，由此同樣地使電池電芯的內(nèi)電阻升高。此外，陽極材料以及可能陰極材料出現(xiàn)彈性或塑性的變形，由此同樣地導(dǎo)致內(nèi)電阻的升高。電池或電池電芯的其他機(jī)械負(fù)載可能例如由于電芯內(nèi)部的溫度升高和由此造成的所含電解液的蒸發(fā)產(chǎn)生，其中蒸汽又導(dǎo)致電芯內(nèi)部進(jìn)一步的壓力升高。此外，特別地在溫度升高的情況下可能在電池或電芯中出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，由該化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，該氣體又導(dǎo)致電池電芯內(nèi)部的附加的壓力升高。這種負(fù)載越高，電池工作中的充電狀態(tài)波動越大。因此，在通常的電池和特別地鋰離子電池中一方面很難避免能夠?qū)е码姵仉娦緝?nèi)的層損壞的機(jī)械負(fù)載，另一方面為此需考慮在電池或電池電芯的工作壽命期間使其內(nèi)電阻不升高。
3
由W02006/112639A1已知，設(shè)有用于獲知電池內(nèi)壓的壓電-傳感器。通過獲知超過了確定的預(yù)設(shè)內(nèi)壓值，可以采取合適的對應(yīng)措施。然而未公開何種對應(yīng)措施是合適的。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種方法和一種裝置，借助于其能夠以簡單的方式阻止電池過早的磨損或老化過程以及確保足夠小的內(nèi)電阻值。本發(fā)明的目的通過依據(jù)權(quán)利要求1的方法以及依據(jù)權(quán)利要求7的裝置實現(xiàn)。在權(quán)利要求2至6中給出了方法的有利的設(shè)計方案，在權(quán)利要求8和9中給出了依據(jù)本發(fā)明的裝置的有利的設(shè)計方案。此外，作為補(bǔ)充，依據(jù)本發(fā)明，根據(jù)權(quán)利要求10提出一種具有依據(jù)本發(fā)明的裝置的機(jī)動車輛。為了實現(xiàn)該目的，提出一種用于在電池上施加壓力的方法，其中所述電池具有至少一個或多個電芯，所述方法用于減少由于不同的電池充電狀態(tài)而出現(xiàn)的對功能的影響。 依據(jù)本發(fā)明，能夠根據(jù)相應(yīng)的電池體積和/或根據(jù)相應(yīng)的電池充電狀態(tài)對所述壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說，在單個電芯上，或者在在電池中有多個電芯的布置方式中，在電芯組上施加壓力。因此，在僅具有一個電芯的電池中，電池體積同時大致就是電芯體積，以及電池充電狀態(tài)大致就是電芯充電狀態(tài)。在此，充電狀態(tài)表示在電池中存儲的電荷的相應(yīng)的值。在電荷高時，電芯或者說電池具有大體積，而在電荷低時具有小體積。根據(jù)相應(yīng)的電荷值和/或相應(yīng)的體積對作用到電池上的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說，用于調(diào)節(jié)壓力的初始量是體積或用于表征體積的變量，例如電池的長度和/或電荷值。通過這種根據(jù)電池的體積和/或電荷對壓力進(jìn)行可變調(diào)節(jié)的措施能夠顯著提高電池的循環(huán)使用壽命。在此特別地規(guī)定，在電池體積變大時壓力減小，以及在電池體積變小時壓力增大。替代地或補(bǔ)充地規(guī)定，在電池的充電狀態(tài)增大時壓力減小，以及在電池的充電狀態(tài)減小時壓力增大。這意味著，例如在充電狀態(tài)和體積方面，對于具有50%電荷的電池來說，當(dāng)電荷增加到60%時以及相應(yīng)地體積增大時，壓力減?。灰约爱?dāng)電荷為例如30%且體積與此相關(guān)地減小時，壓力相應(yīng)地增大。此外可見，不能夠使用簡單的壓力彈簧用以將外部的壓力施加到電池或電芯上，因為所述彈簧在體積增大和與此相關(guān)的長度增加時會被壓縮，并導(dǎo)致作用在電池上的壓力更高。然而，依據(jù)本發(fā)明精確地設(shè)置配對件，即在體積增大時施加更小的壓力。在此優(yōu)選地，從50 %的電荷開始，當(dāng)電荷每升高10 %時，壓力就根據(jù)充電狀態(tài)相應(yīng)地提高5% -50%。該方法在此被設(shè)計為，在每個電池具有多個電芯的情況下，壓力從外部指向到電芯組和/或壓力在電芯之間產(chǎn)生。有利的是，在每個電池具有多個電芯的情況下，壓力從外部被施加到所有電芯上，其中通過電芯的相互貼靠，壓力從一個電芯被傳遞到各個相鄰的電芯上。當(dāng)然，也可以替代地或補(bǔ)充地規(guī)定，在電芯之間設(shè)置致動器，該致動器對電芯施加壓力，從而將電芯相互壓開并且使電芯組的外側(cè)電芯貼靠到邊界元件上，使得壓力從電芯組的內(nèi)部開始升高，并且邊界元件的反作用力也傳入到外側(cè)的電芯中?？梢栽诖艘?guī)定，借助于至少一個氣動或液壓或機(jī)械操作的壓力產(chǎn)生裝置在電芯上或電芯組上施加壓力。該機(jī)械式設(shè)計方案在此應(yīng)優(yōu)選地為以機(jī)電的方式，例如通過電動機(jī)和轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)，所述轉(zhuǎn)軸在必要時與壓力彈簧串聯(lián)。此外，還可以使用機(jī)械液壓式的壓力產(chǎn)生裝置，該裝置例如具有活塞_缸體單元和泵。此外，還可以使用機(jī)械-氣動式壓力產(chǎn)生裝置， 該裝置例如具有壓縮機(jī)和儲氣罐。所述的氣動、液壓或機(jī)械操作的壓力產(chǎn)生裝置在此有利地與控制單元連接，所述控制單元根據(jù)電池充電狀態(tài)和/或電池體積對相應(yīng)所需的壓力值的設(shè)定進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。在特別的設(shè)計方案中規(guī)定，壓力借助于至少一個基于壓電效應(yīng)的壓力產(chǎn)生裝置產(chǎn)生。在此，壓電-壓力產(chǎn)生裝置可以被設(shè)置在定位在電芯組中的電芯的外壁上，并因此本身被設(shè)置在電芯組中，或者該壓電-壓力產(chǎn)生裝置僅設(shè)置在電芯組的一個或兩個外側(cè)電芯上，并由此從外部將壓力施加到電芯組上。在應(yīng)用壓電_壓力產(chǎn)生裝置的情況下，當(dāng)該壓電_壓力產(chǎn)生裝置另外被用于獲知電池的充電狀態(tài)時，依據(jù)本發(fā)明的方法能被特別有利地實施。也就是說，在電池的長度、寬度或高度中至少一個由于不同的充電狀態(tài)而發(fā)生改變時，在壓電元件中由于其變形產(chǎn)生電壓，通過該電壓值可以導(dǎo)出作用在壓電元件上的電池的變形量。因此，在電池體積變化以及由此伴隨的電池尺寸變化的情況下，造成固定在電池附近的壓電元件的形狀變化，并由此能夠?qū)﹄姵睾桶陔姵刂械囊粋€或多個電芯的體積改變進(jìn)行檢測或測量。反過來，通過施加足夠的電壓又可以實現(xiàn)壓電-壓力產(chǎn)生裝置的形狀的改變，以及因此改變由壓電-壓力產(chǎn)生裝置施加到電池上的壓力。壓電-壓力產(chǎn)生裝置和壓電元件可以是相同的部件。此外，依據(jù)本發(fā)明提出一種用于在電池上施加壓力的裝置，所述電池包括至少一個或多個電芯，所述裝置用于減少由于不同的電池充電狀態(tài)而出現(xiàn)的對功能的影響。依據(jù)本發(fā)明，所述裝置被設(shè)計為能夠通過該裝置根據(jù)相應(yīng)的電池體積和/或根據(jù)相應(yīng)的電池充電狀態(tài)將壓力施加到電池上或者通過該裝置根據(jù)相應(yīng)的電池體積和/或根據(jù)相應(yīng)的電池充電狀態(tài)將壓力施加到電池上。因此，這個裝置特別地適用于實施依據(jù)本發(fā)明的方法。在電池被實施為僅具有一個電芯的設(shè)計方案中，通過該裝置僅將壓力施加到這一個電芯上。當(dāng)電池具有多個電芯時，將壓力施加到至少一個，然而優(yōu)選的是電池的電芯組的全部電芯上。 在此，該裝置可以包括控制單元和/或調(diào)節(jié)單元，借助于所述控制單元和/或調(diào)節(jié)單元可以根據(jù)所獲知的電池體積和/或電池充電狀態(tài)產(chǎn)生用于調(diào)整相應(yīng)的壓力的信號。在此，依據(jù)本發(fā)明的裝置被有利地設(shè)計為，通過其在電池上的作用，在電池體積變大時壓力減小或者能夠減小，以及在電池體積變小時壓力增大或者能夠增大，和/或在電池的充電狀態(tài)增大時壓力減小或者能夠減小，以及在電池的充電狀態(tài)減小時壓力增大或者能夠增大。為此，所述依據(jù)本發(fā)明的裝置有利地包括至少一個氣動或液壓或機(jī)械作用的壓力產(chǎn)生裝置。有利地，這個壓力產(chǎn)生裝置被設(shè)計用于機(jī)電式或機(jī)械_液壓式或機(jī)械_氣動式操作，如在對方法的說明中所述。在一種特別的設(shè)計方案中，所述裝置至少包括至少一個基于壓電效應(yīng)的壓力產(chǎn)生裝置，借助于該裝置通過改變施加在壓電壓力產(chǎn)生裝置上的電壓產(chǎn)生或能夠產(chǎn)生作用在電池上的壓力。這個壓電-壓力產(chǎn)生裝置還可以被用于基于與此相關(guān)的電池的體積改變和與此相伴隨的壓電元件的形狀改變獲知電池的充電狀態(tài)。在這種設(shè)計方案中，該裝置應(yīng)包括計算機(jī)單元，通過該計算機(jī)單元可以將由壓電-壓力產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的信號換算為有關(guān)電池充電狀態(tài)的信息。該裝置還可以具有測量裝置和/或檢測裝置，借助于所述測量和/或檢測裝置例如可以對由于相鄰接的冷卻裝置所造成的機(jī)械負(fù)載、在電池內(nèi)部的溫度、電池內(nèi)壓和/或電池中氣體的成分進(jìn)行檢測、測量和分析。由相鄰接的冷卻裝置引起的機(jī)械負(fù)載在此可通過待調(diào)節(jié)的壓力計算。對溫度的測量特別地被用于以計算的方式獲知在電池內(nèi)部由在此處的電解液造成的蒸汽形成，因為在電池中產(chǎn)生的蒸汽對電池的內(nèi)壓產(chǎn)生影響。對在可能的情況下由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體的分析，同樣地被用于確定電池內(nèi)壓。為此，裝置應(yīng)包括計算機(jī)單元，所述計算機(jī)單元適用于將所測量的和/或所分析的值換算為與所支配的內(nèi)壓情況有關(guān)的值，并且將其傳輸?shù)娇刂茊卧?，所述控制單元將理論的計算壓力值與基于體積變化和/或充電狀態(tài)改變而待調(diào)節(jié)的壓力值進(jìn)行計算。本發(fā)明此外還補(bǔ)充地提出一種機(jī)動車輛，特別是汽車，其包括至少一個電池，特別是鋰離子電池，此外還包括依據(jù)本發(fā)明作用于電池的依據(jù)本發(fā)明的裝置，用來施加壓力。這種機(jī)動車輛可以特別的是混合動力車輛或電動車輛，如例如電動自行車。此外，依據(jù)本發(fā)明的方法和依據(jù)本發(fā)明的裝置還可以應(yīng)用于具有高電荷電位和在充電循環(huán)方面具有高要求的固定電池，例如用于電動工具的電池。


下面參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。附圖中，圖1示出了具有多個電芯的電池，所述電池具有依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)的、恒定壓力負(fù)載，圖2示出了單個的電池電芯，圖3示出了用于展示與充電狀態(tài)有關(guān)的體積或長度變化的圖表，圖4示出了電池的膨脹情況，圖5示出了具有多個電芯以及設(shè)置在一側(cè)的壓電-壓力產(chǎn)生裝置的電池，圖6示出了具有多個電芯以及設(shè)置它們之間的壓電-壓力產(chǎn)生裝置的電池。
具體實施例方式在背景技術(shù)中已對圖1進(jìn)行過闡述。圖2示出了單個電池電芯11，該電芯單獨(dú)地或者與其他電芯相組合地構(gòu)成電池的蓄能器。在施加壓力16時，在施加在凸緣12或其他電芯11上的情況下，在電芯11上產(chǎn)生反作用力17。這意味著，在將壓力16導(dǎo)入到電芯上時，該電芯將傳入到電芯中的壓力轉(zhuǎn)移到鄰近電芯上，并且該電芯在另一側(cè)受到所述鄰近電芯的反壓力。在圖3中示出了電池的體積變化或長度變化與充電狀態(tài)(SOC)之間的關(guān)系。橫坐標(biāo)表示充電狀態(tài)S0C，縱坐標(biāo)表示體積變化△ ν或長度變化AL?？梢?，在充電狀態(tài)SOC增大時，體積變大。在基本上保持電池的寬度尺寸和高度尺寸時，電池的長度變大。在圖4中可見，在電池的充電狀態(tài)改變時如何調(diào)節(jié)相對的長度變化AL。在左側(cè)示出的電池具有比在右側(cè)示出的電池10更小的充電狀態(tài)?？梢娭辽僭诒３謱挾瘸叽绾透叨瘸叽绲那闆r下，電池10出現(xiàn)相對的長度變化AL，即使該電池于在兩側(cè)貼靠在由電芯11 構(gòu)成的電芯組上的凸緣12上受到指向相反方向的壓力16。由于相對的長度改變AL，可能在引入如已描述的現(xiàn)有技術(shù)中一樣的恒定力的不利的情況下引起對各個層，例如在電芯11 和貼靠在其上的冷卻板14之間的機(jī)械負(fù)載。因此，根據(jù)本發(fā)明，如在圖4中根據(jù)不同長度的壓力箭頭16所示的一樣，在圖4右側(cè)所示的體積增大的電池10中減小壓力16。在圖5中示出了電池電芯11的堆被容納在兩個凸緣12和設(shè)置在側(cè)面的側(cè)壁13 之間的情況。該電池由電芯11和在其之間設(shè)置的冷卻板14構(gòu)成。凸緣12和側(cè)壁13是依據(jù)本發(fā)明的裝置的一部分，借助于其可以實現(xiàn)壓力從外部作用到電池上，并可以對該壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。這意味著，在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，電池或者說電芯堆可以不再出現(xiàn)明顯的體積變化或長度變化。在電芯堆的一側(cè)設(shè)有壓電-壓力產(chǎn)生裝置15。根據(jù)所確定的電池或單個電芯11的充電狀態(tài)值在壓電_壓力產(chǎn)生裝置15上分別施加不同的電壓，由此在電芯11的堆上施加這些強(qiáng)度不同的壓力。在需要時，例如借助于桿件或其他傳動元件在壓電-壓力產(chǎn)生裝置15和電芯堆之間設(shè)置力變換裝置用于轉(zhuǎn)換力。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)特別在于，借助于依據(jù)本發(fā)明的方法和依據(jù)本發(fā)明的裝置，能夠明顯提高電池，特別是鋰離子電池的使用壽命。通過壓電-元件功能的配合，同時，可以對指向電池的外部壓力或內(nèi)部壓力施加影響，并且同步地或者在最短的時間內(nèi)確定與由電池引起的各個壓電_元件的變形有關(guān)的老化和/或充電狀態(tài)。在圖6中，電芯11堆同樣被兩個凸緣12和側(cè)壁13包圍，然而它們的尺寸被確定為電芯11堆能夠在凸緣12之間膨脹。在這種設(shè)計方案中，在設(shè)置于多個電芯11之間的冷卻板14兩側(cè)都設(shè)有壓電-壓力產(chǎn)生裝置15。當(dāng)在壓電-壓力產(chǎn)生裝置15上施加足夠的電壓時，其可以引起電芯11的移動。因此，通過電芯堆的外側(cè)電芯11貼靠在壓緊元件18上， 能夠產(chǎn)生作用在各個電芯11上的壓力。在此，本發(fā)明并不限于依據(jù)圖5和圖6的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，而是可以規(guī)定，壓電-壓力產(chǎn)生裝置15既可以設(shè)置在電芯堆的外側(cè)的電芯11上，也可以設(shè)置在這些電芯11之間。壓電-壓力產(chǎn)生裝置15必要時被設(shè)計為，在由于體積變大而在外側(cè)的電芯11上出現(xiàn)變大的壓力時，壓電_壓力產(chǎn)生裝置15的長度能夠縮短，從而減小電芯11之間的間距，并因此減小作用在電芯11上的總壓力負(fù)載。這個設(shè)計方案同樣地可以在于圖5中所示出的實施方式中實現(xiàn)。有利地，壓電-元件或者說壓電-壓力產(chǎn)生裝置應(yīng)作用在已略微預(yù)加載的電池上。 優(yōu)選的預(yù)緊力在0. 04-0. 4N/mm2之間。
權(quán)利要求
1.一種用于在電池上施加壓力的方法，所述電池具有至少一個或多個電芯，所述方法用于減少由于不同的電池充電狀態(tài)而出現(xiàn)的對功能的影響，其特征在于，根據(jù)相應(yīng)的電池體積和/或根據(jù)相應(yīng)的電池充電狀態(tài)對所述壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于施加壓力的方法，其特征在于，在電池體積變大時減小所述壓力，以及在電池體積變小時增大所述壓力。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的用于施加壓力的方法，其特征在于，在電池的充電狀態(tài)增大時減小所述壓力，以及在電池的充電狀態(tài)減小時增大所述壓力。
4.按照前述權(quán)利要求中至少一項所述的用于施加壓力的方法，其特征在于，在每個電池具有多個電芯的情況下，所述壓力從外部指向電芯堆和/或壓力在電芯之間產(chǎn)生。
5.按照前述權(quán)利要求中至少一項所述的用于施加壓力的方法，其特征在于，所述壓力借助于至少一個基于壓電效應(yīng)的壓力產(chǎn)生裝置產(chǎn)生。
6.按照權(quán)利要求5所述的用于施加壓力的方法，其特征在于，還使用壓電式壓力產(chǎn)生裝置以獲知電池的充電狀態(tài)。
7.一種用于在電池上施加壓力的裝置，所述電池包括至少一個或多個電芯，所述裝置用于減少由于不同的電池充電狀態(tài)而出現(xiàn)的對功能的影響，其特征在于，所述裝置根據(jù)相應(yīng)的電池體積和/或根據(jù)相應(yīng)的電池充電狀態(tài)施加或者能夠施加所述壓力。
8.按照權(quán)利要求7所述的用于施加壓力的裝置，其特征在于，所述裝置通過作用于電池，在電池體積變大時所述壓力減小或者能夠減小，在電池體積變小時所述壓力增大或者能夠增大，和/或在電池的充電狀態(tài)增大時所述壓力減小或者能夠減小，在電池的充電狀態(tài)減小時所述壓力增大或者能夠增大。
9.按照權(quán)利要求7或8中至少一項所述的用于施加壓力的裝置，其特征在于，所述裝置包括至少一個基于壓電效應(yīng)的壓力產(chǎn)生裝置，借助于該壓力產(chǎn)生裝置通過改變在壓電壓力產(chǎn)生裝置上施加的電壓，產(chǎn)生或者能夠產(chǎn)生作用在電池上的壓力。
10.一種機(jī)動車輛，特別是汽車，包括至少一個電池，特別是鋰離子電池，以及根據(jù)權(quán)利要求7至9中至少一項所述的用于在電池上施加壓力的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在電池上施加壓力的方法和裝置，所述電池具有至少一個或多個電芯，所述方法和裝置用于減少由于不同的電池充電狀態(tài)而出現(xiàn)的對功能的影響，其中為了執(zhí)行所述方法，所述裝置被設(shè)計為根據(jù)相應(yīng)的電池體積和/或根據(jù)相應(yīng)的電池充電狀態(tài)對所述壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
文檔編號H01M10/42GK102484294SQ201080037971
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者H·芬克, J·費(fèi)策爾, S·洛伊特納 申請人:Sb鋰摩托德國有限公司, Sb鋰摩托有限公司