Zustandsüberwachung von Batteriezellen

Dielectric Elastomer Sensor
© Fraunhofer ISC
Überwachung der Ausdehnung von Batteriezellen durch den Einsatz von dielektrischen Elastomersensoren, die im Batteriemodul eingespannt werden.
Dielectric Elastomer Sensor Diagramm
© Simon Feiler et. al., Fraunhofer ISC, Battery 2030 Annual Conference
Die Grafik zeigt die Dickenänderung einer Zelle während eines C/10-Zyklus, gemessen an vier Sensoren. Der Kurvenverlauf der Dickenänderung deutet auf die erwarteten Phasenübergänge des aktiven Materials innerhalb der Zelle hin.

Batteriezellen-Trennschicht mit integrierten Ausdehnungssensoren


In einem Batteriepack werden die Zellen üblicherweise von einem Funktionsmaterial voneinander getrennt eingespannt, um z. B. eine gleichmäßige Druckverteilung zwischen den Zellen oder eine Abführung der thermischen Energie bei der Be- und Entladung zu gewährleisten. Im Rahmen des SPARTACUS-Projekts werden weiche, auf Silikonelastomer basierte dielektrische Elastomersensoren entwickelt, die als eine solche Funktionstrennschicht agieren und gleichzeitig die Ausdehnung der Batteriezelle zur Zustandsüberwachung messen können. Diese Information wird im Batteriemanagementsystem (BMS) zur Erhöhung der Systemsicherheit genutzt.

 

Messung der Zellausdehnung

Kapazitive Verformungssensoren erfassen präzise die Volumenänderungen der Zellen während des Ladens und Entladens. Zudem erkennen sie auch irreversible und permanente Volumenveränderungen durch Zellalterung. Dazu wurden die Sensoreigenschaften, wie deren mechanische Steifigkeit und deren Messbereich, an die spezifischen Anforderungen der Batteriezelle angepasst.

 

Mechanische Entkopplung

Elastomere, deren Kompressionsmodul in einem weiten Bereich einstellbar ist, sorgen für eine gleichmäßige Dämpfungsschicht, welche die einzelnen Zellen in einem Batteriemodul trennt und somit eine gleichmäßigere Druckverteilung gewährleistet. So können Druckspitzen, welche die Zellalterung beschleunigen, vermieden werden. Darüber hinaus bieten diese Elastomere eine thermische Abschirmung, die je nach Anwendung weiter optimiert werden kann.

 

Mehr über das Projekt »SPARTACUS«

Mehr über das Projekt »Phoenix«

 

Publikation lesen: »Dielectric elastomer sensors adapted for monitoring compression load of clamped battery cells«

Beispielhafte Spezifikationen Ausdehnungssensor / Dilatationssensor

Parameter Wert / Bereich Hinweis
Messung von Zellvolumenänderungen in z-Richtung 10 … 300 µm Anpassbarer Messbereich, je nach erwarteter Zellexpansion (dynamisch/statisch)
Sensor-Empfindlichkeit: Ausdehnung 0,16 pF/µm  
Absolute Sensor-Empfindlichkeit: Ausdehnung 3 µm Je nach Vorspannung
Sensor-Empfindlichkeit: Druckbelastung 0.78 pF/kPa  
Absolute Sensor-Empfindlichkeit: Druckbelastung 2 kPa Je nach Vorspannung
Größe des Sensorelements 2 cm x 2 cm Größe eines Sensorelements (anpassbar)
Mechanische Vorspannung 25 kPa Vorteilhaft für eine längere Lebensdauer der Zellen
Kompressionsmodul 300 kPa Optimierte Steifigkeit für homogene Druckverteilung (anpassbar)
Größe der Sensoranordnung   Anpassbar an die Abmessungen der Batteriezellen
Dicke des Sensors ~ 2 mm Geringer Platzbedarf
Gewicht   Polymerdichte ~ 1 g/cm³
Sensoranordnung   Mehrere Sensorpunkte möglich
Laterale Auflösung 2 cm x 2 cm Minimum: 0.5 cm x 0.5 cm
Sensorelektronik   Mikrocontroller-basiert: Niedriger Energieverbrauch