Titel

Energiespeichersvstem und Zustandserkennungssystem umfassend das Energiespeichersvstem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem mit einer verbesserten Ermittelbarkeit eines Betriebszustands beziehungsweise mit einer verbesserten Zustandserkennung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Zustandserkennungssystem umfassend ein derartiges Energiespeichersystem.

Stand der Technik

Die Zustandserkennung beziehungsweise ein Batteriemanagementsystem eines Energiespeichers beispielsweise für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge kann eine Reihe von wichtigen Informationen an die zentrale Motorsteuerung liefern, um jederzeit die optimale Ausnutzung des Energiespeichers und gleichzeitig stets die sichere Funktion und eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten. Derartige Informationen umfassen beispielsweise die gespeicherte und speicherbare Energie, die maximale Lade- und Entladeleistung, den

Alterungszustand (State of Health, SOH) oder auch den Funktionszustand (State of Function, SOF). Diese Informationen können vorzugsweise ständig beziehungsweise in definierten Abständen ermittelt werden. Ferner kann ein Zustandserkennungssystem die Equilibrierung einzelner der in Reihe oder parallel verschalteten Zellen übernehmen. Dazu ist insbesondere eine möglichst präzise Ermittlung des Ladezustands (State of Charge, SOC) einer Vielzahl an Zellen von Nutzen.

Um etwa den Ladezustand beispielsweise einer Lithium-Ionen-Zelle zu ermitteln, ist beispielsweise das Verwenden von verschiedenen Algorithmen bekannt. Im einfachsten Fall kann hier eine Ladungsbilanzierung durch Integration des fließenden Stroms des Energiespeichers vorgenommen werden. Dabei können physikalische Eigenschaften zur Ladezustandsschätzung herangezogen werden. Beispielsweise kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass die Ruhespannung (Open Circuit Voltage, OCV) einer elektrochemischen Zelle oftmals eine eindeutige Abhängigkeit von dem Ladezustand aufweisen kann. Um dabei ein von etwaigen Wartezeiten unabhängiges dynamisches Verfahren zu

ermöglichen, können zusätzliche Verfahren zur Schätzung gefunden werden. Beispielsweise kann der aktuelle Ladezustand durch Integration des Stroms bestimmt werden. Dabei kann nach einer Ruhephase definierter Länge ein Abgleich mit einer Tabelle der Ruhespannung stattfinden. In Erweiterung eines derartigen Verfahrens kann ferner der Bestimmung des Ladezustands aus der Ruhespannung ein Simulationsmodell für die Zelle vorgeschaltet werden. Dieses Modell kann dazu dienen, die Spannungsabweichung von der Ruhespannung unter Belastung zu bestimmen, indem die Impedanz des Energiespeichers modelliert wird.

Offenbarung der Erfindung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeichersystem, umfassend wenigstens ein in einem Zellbereich angeordnetes Zellelement mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten, insbesondere zumindest teilweise flüssigen, Elektrolytsystem, wobei die Anode, die Kathode und/oder das Elektrolytsystem derart ausgebildet sind, dass in Abhängigkeit eines Lade- und/oder Entladevorgangs des

Zellelements Funktionsmaterial in dem Elektrolytsystem angeordnet ist, und wobei das in dem Elektrolytsystem angeordnete Funktionsmaterial qualitativ und/oder quantitativ ermittelbar ist. Ein Energiespeichersystem ist dabei ein System, das insbesondere einen

Energiespeicher als zentrales Bauteil aufweist. Ein Energiespeicher kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein elektrochemisches Bauteil sein, welches Energie, wie insbesondere elektrische Energie, speichern und in gewünschter Weise abgeben kann. Insbesondere kann ein Energiespeicher eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator sein. Bevorzugt kann das Energiespeichersystem eine Lithium-basierte Batterie wie etwa eine Lithium- Ionen-Batterie, beispielsweise eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassen.

Das Energiespeichersystem beziehungsweise der Energiespeicher kann dabei ein Zellelement mit einer Anode, einer Kathode und einem dazwischen angeordneten Elektrolytsystem umfassen. Folglich wird unter dem Begriff Zellelement im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere das

Funktionselement verstanden, welches die Anode, Kathode und das

Elektrolytsystem umfasst beziehungsweise insbesondere aus diesen

Komponenten und gegebenenfalls einem Separator besteht. Das Zellelement ist dabei insbesondere in einem Zellbereich angeordnet. Der Zellbereich kann somit insbesondere durch den räumlichen Bereich gebildet sein, in dem eine Anode, eine Kathode und ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Elektrolytsystem vorgesehen sind. Der Zellbereich wird somit von dem

Zellelement des Energiespeichers insbesondere vollständig ausgefüllt.

Das Elektrolytsystem kann dabei insbesondere ein flüssiges beziehungsweise zumindest teilweise flüssiges Elektrolytsystem sein. Als nicht beschränkendes Beispiel, das etwa bei einer Lithium-Schwefel-Zelle beziehungsweise Lithium- Schwefel-Batterie als Energiespeicher in dem Energiespeichersystem

Verwendung finden kann, sei hier 1 ,3-Dioxolan (DOL)/Dimethoxyethan (DME) mit Lithium-bis-(trifluoromethylsulfonyl-imid) (LiTFSI) als Leitsalz genannt.

Ferner sind die Anode, die Kathode und/oder das Elektrolytsystem derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit eines Lade- und oder Entladevorgangs des

Zellelements Funktionsmaterial in dem Elektrolytsystem angeordnet ist. Folglich kann sich beispielsweise Funktionsmaterial in dem Elektrolytsystem in

Abhängigkeit des Ladezustands bilden oder abgebaut werden. Dabei kann eine Bildung beziehungsweise ein Abbau des Funktionsmaterials im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass Funktionsmaterial unmittelbar in dem Elektrolytsystem gebildet beziehungsweise dort abgebaut wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Funktionsmaterial in das

Elektrolytsystem oder aus dem Elektrolytsystem in Abhängigkeit des

Ladezustands gelangen, etwa durch Diffusion. Insbesondere bei dem Vorsehen eines zumindest teilweise flüssigen Elektrolytsystems können die Anode, die

Kathode und/oder das Elektrolytsystem dabei derart ausgebildet sein, dass sich das in Abhängigkeit des Ladezustands der Zelle gebildete Funktionsmaterial in dem Elektrolytsystem löst. Als nicht beschränkendes Beispiel sei hier eine Lithium-Schwefel-Zelle genannt, bei der sich Polysulfide als Zwischenstufen eines Lade- beziehungsweise Entladevorgangs in dem Elektrolytsystem lösen. Grundsätzlich ist hier jedes System geeignet, bei dem Funktionsmaterial, wie etwa Aktivmaterial von Anode und/oder Kathode, gebildet wird oder vorliegt, das sich in dem Elektrolytsystem insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands löst.

Funktionsmaterial kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere jegliche Verbindung oder Substanz sein, welche bei dem Betrieb eines

Energiespeichers im Inneren der Zelle vorhanden ist oder gebildet oder abgebaut werden kann. Insbesondere können von dem Begriff Funktionsmaterial derartige Substanzen umfasst sein, die beispielsweise im Rahmen der bei einem Lade- und/oder Entladevorgang der Zelle ablaufenden elektrochemischen Prozesse gebildet und/oder abgebaut werden. Der Begriff Funktionsmaterial kann im Sinne der vorliegenden Erfindung dabei nur eine Verbindung oder Substanz wie oben genannt umfassen, oder aber eine beliebige Mischung aus verschiedenen Verbindungen oder Substanzen.

Dadurch, dass in Abhängigkeit eines Lade- und oder Entladevorgangs des Zellelements Funktionsmaterial in dem Elektrolytsystem angeordnet ist und sich hier insbesondere bildet und/oder abbaut, kann dieses in besonders vorteilhafter Weise qualitativ und/oder quantitativ ermittelbar sein. Beispielsweise für den Fall, dass sich das Funktionsmaterial in dem Elektrolytsystem löst, kann eine qualitative und/oder quantitative Analyse wenigstens einer Eigenschaft des Funktionsmaterials stattfinden. Ferner kann auch beispielsweise bei dem

Vorliegen einer Dispersion des Funktionsmaterials in dem Elektrolytsystem das Funktionsmaterial gut analysierbar sein. Dadurch kann auf besonders einfache Weise auf einen Betriebszustand, wie insbesondere auf einen Ladezustand, des Energiespeichersystems beziehungsweise des Zellelements geschlossen werden.

Folglich wird es durch einen erfindungsgemäßen Energiespeicher möglich, insbesondere den Ladezustand nicht mittelbar über auf Schätzungen

basierenden Modellen zu ermitteln, sondern etwa unmittelbar aufgrund einer Analyse des Elektrolytsystems beziehungsweise des in dem Elektrolytsystem angeordneten, beispielsweise dispergierten oder gelösten, Funktionsmaterials. Dadurch, dass dieses in Abhängigkeit eines Lade- oder Entladevorgangs in dem Elektrolytsystem angeordnet ist und dort beispielsweise gebildet und/oder abgebaut wird, kann somit insbesondere aufgrund von qualitativen und insbesondere quantitativen Messungen unmittelbar der Ladezustand ermittelt werden. In anderen Worten kann anhand der durch eine Messung

beziehungsweise Analyse detektierten Art und insbesondere Menge von

Funktionsmaterial bei Kenntnis des während eines Lade- und Entladevorgangs stattfindenden Prozesse der Ladezustand ermittelt werden. Dabei können die

Messungen beziehungsweise die Analyseergebnisse insbesondere bei einem Vergleich mit einem hinterlegten Ladungsmodell sehr genaue Rückschlüsse auf den Ladezustand erlauben.

Ferner wird es möglich, den Alterungszustand der Zelle beziehungsweise des Zellelements zu ermitteln. Dies kann insbesondere durch eine quantitative aber auch qualitative Messung des Funktionsmaterials beziehungsweise des

Elektrolytmaterials realisiert werden, da beispielsweise durch eine geringe Konzentration an Funktionsmaterial beispielsweise auf einen Aktivmasseverlust geschlossen werden kann. Dieser wiederum kann charakteristisch sein für eine Alterung der Zelle. Ein Vergleich mit einem geeigneten Alterungsmodell kann hier Rückschlüsse auf den Kapazitätsverlust der Zelle aufgrund von

Alterungsphänomenen liefern.

Durch das erfindungsgemäße Energiespeichersystem wird dabei eine besonders genaue Ermittlung eines Betriebszustands wie etwa des Ladezustands eines Energiespeichers möglich. Fehlerhafte Ergebnisse können erfindungsgemäß deutlich reduziert werden. Insbesondere müssen keine potentiell fehlerbehafteten und unpräzisen Schätzungen durchgeführt werden.

Darüber hinaus werden besonders schnelle beziehungsweise dynamische Messungen möglich, die insbesondere jederzeit und ohne das Abwarten einer eventuellen Ruhepause möglich sind.

Erfindungsgemäß wird dabei das Problem der nicht-trivialen präzisen

Modellierung der Impedanz eines Energiespeichers, wie etwa einer Lithiu Ionen-Batterie umgangen. Insbesondere müssen nicht auf schwierige Weise die notwendigen elektrochemischen Parameter identifiziert werden. Der

Rechenaufwand und Speicherbedarf eines bekannten

Zustanderkennungssystems kann so reduziert werden.

Dadurch kann insbesondere die Genauigkeit der Bestimmung verbessert werden.

Ferner kann insbesondere bei Lithium-Schwefel-Zellen beispielsweise eine eindeutige Erkennung jedes Ladezustands erfolgen. Dies kann bei

herkömmlichen Systemen oftmals schwierig bis unmöglich sein, da die

Spannung bei derartigen Energiespeichern in ihrem Verhältnis zur Zeit beziehungsweise zum Ladezustand, also insbesondere deren

Spannungskennlinien, Plateaus aufweisen, was eine eindeutige Zuordnung jedes Spannungswerts zu einem definierten Ladezustand erschwert beziehungsweise unmöglich macht.

Derartige Schwierigkeiten können erfindungsgemäß umgangen werden, da zur Bestimmung etwa des Ladezustands des Energiespeichers weder eine

Ladungsbilanzierung vorgenommen werden braucht, noch ein Impedanzmodell hinterlegt werden muss.

Ein Ermitteln eines Betriebszustands, wie etwa des Ladezustands, des

Energiespeichersystems beziehungsweise des Zellelements kann dabei ferner insbesondere während des Betriebs des Energiespeichersystems erfolgen. Das kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass der Energiespeicher sich in einem Lade- oder Entladezustand befindet. Es ist jedoch auch möglich, dass der Energiespeicher sich nicht zwingend in einem Lade- oder Entladezustand befindet, solange er sich an seinem Anwendungsort befindet. In anderen Worten kann ein Ermitteln eines Betriebszustands während des Betriebs bedeuten, dass der Energiespeicher sich nicht in einer Wartung oder Ähnlichem befinden muss, sondern insbesondere unmittelbar für einen Lade- oder

Entladevorgang bereitsteht.

Um beispielsweise einen Ladezustand des Zellelements beziehungsweise des Energiespeichers zu ermitteln, kann das Energiespeichersystem

erfindungsgemäß insbesondere eine Analyseeinheit aufweisen, durch welche zumindest eine Eigenschaft des Funktionsmaterials und/oder Elektrolytsystems zum qualitativen und/oder quantitativen Ermitteln des in dem Elektrolytsystem angeordneten beziehungsweise gebildeten und abgebauten Funktionsmaterials analysierbar ist. Insbesondere durch eine direkte Analyse wenigstens einer Eigenschaft des Funktionsmaterials und/oder des Elektrolytsystems durch eine

Analyseeinheit kann auf besonders genaue und dynamische Weise der

Ladezustand zu jedem gewünschten Zeitpunkt ermittelt werden. Als

analysierbare Eigenschaft des Elektrolytsystems sind beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit oder die Viskosität geeignet.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Energiespeichersystem eine Lichtquelle aufweisen, durch die das Elektrolytsystem zumindest teilweise bestrahlbar ist, und kann das Energiespeichersystem einen Detektor aufweisen, durch den die Absorption des bestrahlten Elektrolytsystems analysierbar ist. Folglich kann in dieser Ausgestaltung insbesondere eine Analyseeinheit durch die Lichtquelle und den Detektor gebildet werden. In dieser Ausgestaltung kann das Elektrolytsystem und damit insbesondere darin angeordnetes

Funktionsmaterial insbesondere durch das Absorptionsverhalten

beziehungsweise Extinktionsverhalten des Elektrolytsystems beziehungsweise Funktionsmaterials untersucht werden. Im Detail kann das Elektrolytsystem mit

Licht einer geeigneten Wellenlänge bestrahlt werden, und das

Absorptionsverhalten, welches abhängig ist von der Art und Menge an gelöstem Funktionsmaterial, kann durch einen geeigneten Detektor untersucht werden. Eine Untersuchung beziehungsweise Analyse des Absorptionsverhaltens umfasst dabei für den Fachmann in verständlicher Weise eine Untersuchung beziehungsweise Analyse des Extinktionsverhaltens des Elektrolytsystems.

Für das nicht einschränkende Beispiel einer Lithium-Schwefel-Batterie wird der elementare Schwefel über eine Mehrzahl an Polysulfid-Zwischenstufen zu den Endprodukten Lithiumdisulfid (Li ₂ S ₂ ) und Lithiumsulfid (Li ₂ S) in folgender Weise reduziert:

Li + S -> Li ₂ S _x (3< x < 8) -> Li ₂ S ₂ + Li ₂ S.

Dabei ist die erste Zwischenstufe Li ₂ S _x gut in einem herkömmlichen

Elektrolytsystem löslich, wohingegen die Endprodukte, Lithiumdisulfid (Li ₂ S ₂ ) und Lithiumsulfid (Li ₂ S), in einem herkömmlichen Elektrolytsystem schwer beziehungsweise nicht löslich sind und somit ausfallen. Als herkömmliches beispielhaftes Elektrolytsystem kann hier etwa1 ,3-Dioxolan

(DOL)/Dimethoxyethan (DME) mit Lithium-bis-(trifluoromethylsulfonyl-imid) (LiTFSI) als Leitsalz dienen. In diesem Elektrolytsystem sind Lithiumdisulfid und Lithiumsulfid dabei schwerlöslich und scheiden sich insbesondere in der

Kathodenstruktur ab. Diese kann typischerweise elementaren Schwefel, einen

Leitzusatz, wie etwa Ruß und Graphit, sowie einen Binder, wie etwa

Polyvinylidenfluorid (PVDF), Teflon oder ein Zellulose-basiertes System umfassen. Die Polysulfide Li ₂ S _x , bei denen x in einem Bereich von 3 < x < 8 liegen kann, sind in dem Elektrolytsystem löslich. Dabei ändert sich die Farbe der Lösung beziehungsweise des Elektrolytsystems in Abhängigkeit der

Schwefelkettenlänge der Polysulfide. Jedes Polysulfid zeigt demzufolge charakteristische Banden wie insbesondere Absorptionsbanden, die durch eine Analyse des Extinktionsverhaltens beziehungsweise des Absorptionsverhaltens analysierbar und auswertbar sind.

Derartige Eigenschaften lassen sich durch eine entsprechende Wahl von

Anregungswellenlängen, wie etwa einer Auswahl der Absorptionsmaxima von verschiedenen Polysulfid-Referenzlösungen aus unterschiedlichen Ladebeziehungsweise Entladezuständen, ausnutzen, um den Ladezustand der Zelle über eine Messung der Extinktion beziehungsweise Absorption zu bestimmen.

Neben der reinen Absorption ist dabei wie bereits ausgeführt im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Auswertung der gesamten Extinktion denkbar, die ebenfalls eine deutliche Abhängigkeit von der Entladungstiefe zeigt. Im Detail wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter der Gesamtextinktion das Integral der Extinktion über einen definierten Wellenlängenbereich verstanden.

Insbesondere durch eine optische Analyse des Elektrolytsystems

beziehungsweise des Funktionsmaterials kann die Problematik einer

fehlerbehafteten Stromintegration sowie einer schwierigen

Impedanzmodellierung der Zelle umgangen werden.

Dabei ist dem Fachmann verständlich, dass die vorstehenden Beispiele rein der Illustration und Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels dienen. Die Erfindung und dieses Ausführungsbeispiel ist dabei keineswegs auf die vorgenannten Beispiele, wie insbesondere eine Lithium-Schwefel-Zelle, beschränkt. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein außerhalb des Zellbereichs angeordneter und Elektrolytsystem umfassender Detektionsbereich zum qualitativen und/oder quantitativen Ermitteln von in dem Elektrolytsystem angeordneten Funktionsmaterial vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung befindet sich Elektrolytsystem somit nicht ausschließlich in dem Zellbereich, sondern zusätzlich in einem weiteren, insbesondere nur für eine Detektion beziehungsweise Analyse des Elektrolytsystems beziehungsweise

Funktionsmaterials vorgesehenen Bereich. Ein Detektionsbereich kann somit im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Bereich beziehungsweise ein Raum sein, der nicht oder nicht unmittelbar zwischen einer Anode und einer

Kathode angeordnet ist. Da in diesem Bereich jedoch Elektrolytsystem angeordnet ist, in welchem beispielsweise aufgrund von Diffusionseffekten ebenfalls Funktionsmaterial vorhanden ist, eignet sich ein derartiger Bereich in besonders kostengünstiger weise zur Analyse des Elektrolytsystems. Dabei kann beispielsweise der Detektionsbereich von einer Lichtquelle zumindest teilweise bestrahlbar beziehungsweise das Extinktionsverhalten durch den Detektor ermittelbar sein. Die Anode und die Kathode dagegen können in herkömmlicher Weise ausgeformt sein, ohne beispielsweise einen Strahlengang einer Lichtquelle durch den Zellbereich erlauben zu müssen.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können die Anode und die Kathode einen jeweils zueinander ausgerichtet angeordneten, lichtdurchlässigen Bereich aufweisen, der von der Lichtquelle durchstrahlbar ist. In dieser Ausgestaltung kann somit das Funktionsmaterial analysiert werden, welches sich unmittelbar in dem Zellbereich befindet. Dadurch ist eine besonders genaue Analyse des

Funktionsmaterials möglich. Darüber hinaus kann dadurch, dass eine Messung unmittelbar an dem potentiellen Ort der Entstehung von detektierbarem

Funktionsmaterial realisierbar ist, eine besonders dynamische und schnelle Analyse möglich sein. Für den Fall, dass beispielsweise zwischen Anode und Kathode ein Separator angeordnet ist, weist dieser zweckmäßigerweise ebenfalls einen lichtdurchlässigen Bereich auf, der zu dem lichtdurchlässigen Bereich der Anode und der Kathode ausgerichtet ist, um einen durchgehenden Strahlengang der Lichtquelle zu erlauben.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können der Zellbereich, die

Analyseeinheit und insbesondere der Detektionsbereich von einem Gehäuse umgeben sein. In dieser Ausgestaltung kann somit im Wesentlichen das gesamte Energiespeichersystem von einem Gehäuse umgeben und somit zu einem geschützten Bauteil zusammengefasst sein. In dieser Ausgestaltung kann somit das gesamte Energiespeichersystem vor äußeren Einflüssen geschützt sein und somit besonders sicher und verlässlich arbeiten. Darüber hinaus ist ein

Auswechseln des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems etwa in dem Fall eines Defekts in dieser Ausgestaltung besonders einfach möglich.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Zellbereich von einem Gehäuse umgeben sein, wobei das Gehäuse wenigstens einen

lichtdurchlässigen Bereich zum äußeren Anordnen der Analyseeinheit aufweisen kann. In dieser Ausgestaltung kann somit ein im Wesentlichen handelsüblicher Energiespeicher verwendet werden, der lediglich dadurch verändert wird, dass er an einer geeigneten Stelle des Gehäuses lichtdurchlässig ist beziehungsweise einen lichtdurchlässigen Bereich aufweist. Dadurch kann an diesem Bereich insbesondere eine Lichtquelle und/oder ein Detektor als Analyseeinheit angeordnet werden, so dass eine Analyse des Elektrolytsystems möglich ist. Dabei ist dem Fachmann verständlich, dass je nach Anordnung der Lichtquelle und/oder des Detektors beziehungsweise des Strahlengangs der Lichtquelle eine Mehrzahl, wie insbesondere zwei, lichtdurchlässige Bereiche vorgesehen sein können. Beispielsweise kann das Gehäuse an dem Detektionsbereich lichtdurchlässig sein. Dadurch kann auch in dieser Ausgestaltung der

Detektionsbereich für eine Analyse des Elektrolytsystems verwendet werden. Ferner kann der beziehungsweise können die lichtdurchlässigen Bereiche bezüglich des Strahlengangs durch den Zellbereich ausgerichtet sein. Es ist ferner verständlich, dass in vorbeschriebener Ausgestaltung entsprechend ausgerichtete lichtdurchlässige Bereiche auch in den Elektroden und

gegebenenfalls dem Separator vorgesehen sein können. In dieser Ausgestaltung kann die Analyseeinheit etwa von dem Zellbereich oder dem Detektionsbereich als solchem mechanisch entkoppelt sein, so dass auch die Verwendung einer Analyseeinheit für eine Vielzahl von Zellen

beziehungsweise Zellelementen verwendbar ist, was besonders kostengünstig ist. Darüber hinaus kann eine besonders einfache Kontaktierung der

Analyseeinheit realisiert werden. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Lichtquelle eine Leuchtdiode umfassen und/oder kann der Detektor einen Fototransistor umfassen. Eine Leuchtdiode ist kostengünstig herstellbar und weist eine lange Lebensdauer auf, was eine besonders verlässliche Funktion des Energiespeichersystems sicherstellt. Darüber hinaus sind Leuchtdioden sehr kompakt ausbildbar, wodurch diese auch in enge räumliche Verhältnisse, wie insbesondere in kompakte Energiespeichersysteme problemlos integrierbar sind. Weiterhin lässt sich durch Leuchtdioden insbesondere in Abhängigkeit des Halbleitermaterials Licht mit einer Wellenlänge erzeugen, durch das geeignete Absorptionsbanden in vielen verschiedenen Energiespeichern, wie etwa Lithium-Schwefel-Batterien, detektierbar sind. Darüber hinaus sind auch Fototransistoren besonders kompakt ausbildbar und ermöglichen dabei eine sehr genaue Analyse insbesondere des Extinktionsverhaltens beziehungsweise Absorptionsverhaltens des

Elektrolytsystems beziehungsweise Funktionsmaterials.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann durch die Lichtquelle Licht in einem Wellenlängenbereich des Spektrums des UV/VIS Bereichs emittierbar sein. In dieser Ausgestaltung kann die vorliegende Erfindung für eine Vielzahl von verwendeten Zellen beziehungsweise Energiespeichern von Nutzen sein. Als nicht beschränkendes Beispiel weisen insbesondere Polysulfide

unterschiedlicher Kettenlängen, die bei einem Lade- und/oder Entladevorgang einer Lithium-Schwefel-Batterie auftreten, charakteristische Banden in dem Spektrum des UV/VIS Bereichs auf. Der U VA/IS-Bereich kann dabei im Sinne der Erfindung insbesondere Licht mit einer Wellenlänge umfassen, die in einem Bereich von > 1 nm bis < 800 nm liegt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein

Zustandserkennungssystem, umfassend ein erfindungsgemäßes

Energiespeichersystem, ferner aufweisend eine Auswerte- und/oder

Prozessierungseinheit. Ein derartiges Zustandserkennungssystem kann auf besonders einfache Weise einen Betriebszustand, wie insbesondere den Ladezustand oder den Alterungszustand eines Energiespeichers

beziehungsweise eines Zellelements, ermitteln. Dazu kann das

Zustandserkennungssystem beispielsweise eine Auswerteeinheit umfassen, in der beispielsweise entsprechende Betriebsmodelle wie etwa Ladungsmodelle oder Alterungsmodelle hinterlegt sind. Werden die beispielsweise von einer Analyseeinheit, wie etwa dem Detektor, ermittelten Werte mit dem hinterlegten Modell verglichen, kann auf einfache Weise auf den Betriebszustand des Energiespeichers geschlossen werden. Durch die Prozessierungseinheit kann ferner eine automatisierte Erkennung eines Betriebszustands erfolgen.

Im Einzelnen wird bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen

Zustandserkennungssystems auf die Ausführungen bezüglich des

erfindungsgemäßen Energiespeichersystems verwiesen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die

Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems;

Fig. 2 eine Detailansicht des Energiespeichersystems aus Figur 1 ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Zellelements einer weiteren

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems; Fig. 4 ein Diagramm zeigend unterschiedliche charakteristische

Absorptionsbanden in einem UVA/IS-Spektrum;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Diagramms aus Figur 4;

Fig. 6 ein beispielhaftes Absorptionsverhalten eines Elektrolytsystems bei unterschiedlichen Wellenlängen in Abhängigkeit des Ladezustands; und Fig. 7 eine beispielhafte Gesamtabsorption in Abhängigkeit des Ladezustands.

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht, die verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 10 darstellen soll. Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem 10 kann beispielsweise Verwendung finden in jeglicher Art von mobilen oder stationären Anwendungen, bei denen insbesondere eine hohe spezifische Energie essentiell sein kann. Als nicht beschränkende Beispiele kann das erfindungsgemäße Energiespeichersystem 10 in Werkzeugen, Computern, Hybrid- und Plug-in Hybrid-Fahrzeugen oder auch in rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen Verwendung finden.

Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Energiespeichersystem 10 in Verbindung mit Energiespeichern Verwendung finden, die sich durch eine besonders hohe spezifische Energie auszeichnen, wie etwa Lithium-basierten Energiespeichern, beispielsweise Lithium-Schwefel-Batterien.

Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem 10 kann ferner Teil eines Zustandserkennungssystems sein. Dabei kann das Zustandserkennungssystem, wie insbesondere ein Batteriemanagementsystem, ferner eine Auswerte- und/oder Prozessierungseinheit aufweisen. Dadurch können in geeigneter Weise etwa in der Auswerteeinheit beispielsweise verschiedene Ladezustände beziehungsweise damit verbundene Eigenschaften des Elektrolytsystems, wie insbesondere kalibrierte Vergleichswerte hinterlegt sein, so dass eine genaue Auswertung etwa des Ladezustands erfolgen kann. Darüber hinaus kann durch die Prozessierungseinheit eine insbesondere vollständig automatisierte

Ermittlung beispielsweise des Ladezustands erfolgen.

Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem 10 umfasst wenigstens ein in einem Zellbereich 12 angeordnetes Zellelement 14. Das Zellelement 14 weist eine Anode 16, eine Kathode 18 und ein zwischen der Anode 16 und der Kathode 18 angeordnetes und insbesondere zumindest teilweise flüssiges Elektrolytsystem 20 auf. Das Zellelement 14 kann beispielsweise bei einem in einer zylindrischen Form ausgebildeten Energiespeicher 10 als Zellwickel ausgestaltet sein.

Eine teilweise Ansicht des Zellwickels ist dabei in Figur 2 gezeigt. In Figur 2 ist ferner erkennbar, dass zwischen der Anode 16 und der Kathode 18 ein

Separator 22 vorgesehen sein kann, der insbesondere eine elektrische Trennung von Anode 16 und Kathode 18 bewirken kann.

Erfindungsgemäß sind die Anode 16, die Kathode 18 und/oder das

Elektrolytsystem 20 derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit eines Lade- und oder Entladevorgangs des Zellelements 14 Funktionsmaterial in dem

Elektrolytsystem 20 angeordnet ist. Ferner ist das in dem Elektrolytsystem 20 angeordnete Funktionsmaterial qualitativ und/oder quantitativ ermittelbar. Dazu kann das Energiespeichersystem 10 beispielsweise ferner eine

Analyseeinheit aufweisen, durch welche insbesondere zumindest eine Eigenschaft des Funktionsmaterials und/oder des Elektrolytsystems zum qualitativen und/oder quantitativen Ermitteln von in dem Elektrolytsystem 20 angeordneten, wie insbesondere gelösten oder dispergierten, Funktionsmaterial analysierbar ist. In einer Ausführungsform kann das Energiespeichersystem 10 etwa eine Vorrichtung zum Durchführen einer ATR-IR-spektrokopischen Analyse aufweisen. Beispielsweise kann ein Lichtleiter vorgesehen sein, durch welchen Licht geleitet wird, welches mit außerhalb des Lichtleiters angeordneten wie beispielsweise dispergierten Funktionsmaterial wechselwirkt. Alternativ oder zusätzlich kann das Energiespeichersystem 10 eine oder eine Mehrzahl an Lichtquellen 24 aufweisen, durch die das Elektrolytsystem 20 zumindest teilweise bestrahlbar ist. Ferner kann das Energiespeichersystem 10 einen oder eine Mehrzahl an Detektoren 26 aufweisen, durch den beziehungsweise die die Absorption beziehungsweise Extinktion des in dem Elektrolytsystem 20 angeordneten Funktionsmaterials analysierbar ist. Die Lichtquelle 24 kann dabei eine Leuchtdiode umfassen oder sein, wohingegen der Detektor 26 einen

Fototransistor umfassen kann beziehungsweise dieser sein kann. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn durch die Lichtquelle 24 Licht in einem

Wellenlängenbereich des Spektrums des UV/VIS Bereichs emittierbar ist. In Figur 1 sind dabei drei beispielhafte Möglichkeiten gezeigt, um die

Analyseeinheit, insbesondere die Lichtquelle 24 und den Detektor 26, anzuordnen. Dabei sind die in Figur 1 gezeigten Ausführungsformen alternativ oder gemeinsam anwendbar und ferner nicht beschränkend.

Gemäß Figur 1 kann ein außerhalb des Zellbereichs 12 angeordneter und Elektrolytsystem 20 umfassender Detektionsbereich 28, 30 zum qualitativen und/oder quantitativen Ermitteln von in dem Elektrolytsystem 20 angeordneten Funktionsmaterial vorgesehen sein. Der Detektionsbereich 28, 30 kann dabei eine Höhe aufweisen, die in einem Bereich von > 1 mm liegt. Das kann insbesondere bedeuten, dass der Zellbereich 12 beziehungsweise das

Zellelement 14 nicht bündig mit einem Gehäuse 34 abschließt. Dabei kann der Detektionsbereich 28 beispielsweise oberhalb des Zellelements 14

beziehungsweise des Zellbereichs 12, also beispielsweise bei dem Plus-Pol angeordnet sein, wohingegen der Detektionsbereich 30 beispielsweise unterhalb des Zellelements 14 beziehungsweise des Zellbereichs 12, also beispielsweise bei dem Minus-Pol angeordnet sein kann. In diesem Fall kann die Analyseeinheit beispielsweise in dem Detektionsbereich 28 eine Lichtquelle 24a und einen Detektor 26a aufweisen, wobei die Lichtquelle 24a einen Lichtstrahl 32a zu dem Detektor 26a emittiert. Bei einer derartigen Ausgestaltung von Lichtquelle 24 und Detektor 26 können somit der Zellbereich 12, die Analyseeinheit und

insbesondere der Detektionsbereich 28 von einem insbesondere harten Gehäuse

34 umgeben sein. Diese Ausgestaltung setzt eine geeignete Kontaktierung 36 von Lichtquelle 24 und Detektor 26 innerhalb des Gehäuses 34 voraus.

Ferner kann die Analyseeinheit beispielsweise eine Lichtquelle 24c und einen Detektor 26c aufweisen, wobei die Lichtquelle 24c einen Lichtstrahl 32c zu dem

Detektor 26c emittiert. Dabei können die Lichtquelle 24c und der Detektor 26c außerhalb des Gehäuses 34 angeordnet sein, wobei der Lichtstrahl 32c jedoch durch den Detektionsbereich 30 verläuft. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Lichtquelle 24b sowie ein Detektor

26b in Höhe des Zellbereichs 12 angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung verläuft der Lichtstrahl 32b somit durch den Zellbereich 12 und damit durch das Zellelement 14, wie beispielsweise durch den Zellwickel. Dabei können die Lichtquelle 24b und der Detektor 26b innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 34 angeordnet sein. Dazu kann es von Vorteil sein, wenn die Anode 16 und die

Kathode 18 und gegebenenfalls der Separator 22 und das Gehäuse 34 einen jeweils zueinander ausgerichtet angeordneten, lichtdurchlässigen, beispielsweise perforierten Bereich 35 aufweisen, der von der Lichtquelle 24 durchstrahlbar ist, beziehungsweise durch den der Lichtstrahl 32 verlaufen kann. Dabei kann der lichtdurchlässige Bereich 35 beispielsweise als Perforation oder als

entsprechende Öffnung beziehungsweise als Loch ausgebildet sein, die oder das einen Durchmesser ein einem Bereich von > 0,5 mm bis < 5 mm, insbesondere > 1 mm bis < 3 mm, aufweisen kann. Dies ist in Figur 2 angedeutet. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der lichtdurchlässige Bereich 35 des Separators 22 eine geringere Größe beziehungsweise einen geringeren Durchmesser aufweist, als der von Anode 16 und Kathode 18, um so einen Berührung der Elektroden und damit einen Kurzschluss zu verhindern. Beispielsweise kann der

lichtdurchlässige Bereich 35 des Separators 22 um > 0,1 mm bis < 1 mm geringer sein beziehungsweise einen geringeren Durchmesser aufweisen, als der Durchmesser des lichtdurchlässigen Bereichs 35 von Anode 16 und Kathode

18. Insbesondere bei einer Anordnung von Lichtquelle 24 und Detektor 26 außerhalb des Gehäuses 34 ist somit der Zellbereich 12 von dem Gehäuse 34 umgeben, wobei das Gehäuse 34 wenigstens einen lichtdurchlässigen Bereich 35 zum Anordnen der Analyseeinheit, wie beispielsweise Lichtquelle 24 und Detektor 26, aufweist.

In Figur 3 ist eine weitere teilweise Ansicht eines erfindungsgemäßen

Energiespeichers 10 gezeigt. Gemäß Figur 3 umfasst das Zellelement 14 insbesondere parallel zu einander angeordnete und plattenartig ausgestaltete

Anode 16, Kathode 18 und Separator 22, wobei zwischen Anode 16 und Kathode 18 wiederum Elektrolytmaterial 20 angeordnet ist. Dabei können, gleichermaßen wie bezüglich Figur 1 beziehungsweise Figur 2, eine Vielzahl an Einheiten umfassend Anode 16, Kathode 18 und Elektrolytsystem 20 und insbesondere Separator 22 übereinander angeordnet sein. Für den Fall eines Zellwickels gemäß Figur 1 können die Einheiten etwa übereinander gewickelt werden, wohingegen sie gemäß Figur 3 übereinander gelegt beziehungsweise gefaltet sein können. Gemäß Figur 3 weisen die Anode 16, die Kathode 18 und der Separator 22 wiederum einen lichtdurchlässigen Bereich 35 auf, durch welchen ein Lichtstrahl 32 einer Lichtquelle 24 verläuft. Dabei können, wenn auch das

Gehäuse 34 einen beziehungsweise zwei lichtdurchlässige Bereiche 35 aufweist, die Lichtquelle 24 und der Detektor 26 außerhalb des Gehäuses 34 angeordnet sein. Ferner kann das Gehäuse 34 für den Fall eines prismatischen Zellelements 14 beispielsweise hart, etwa aus Edelstahl, ausgestaltet sein, wohingegen es für den Fall einer sogenannten Pouch-Form elastisch ausgestaltet sein kann.

Beispielsweise kann es in letzterer Form aus einer mit einem nichtleitenden Kunststoff, wie etwa Polyethylen oder Polypropylen, beschichteten

Aluminiumfolie aufgebaut sein. Dabei sind Anode 16, Kathode 18 und

gegebenenfalls der Separator 22 entsprechend einer prismatischen Zelle oder einer Pouch-Form ausgestaltet.

Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem 10 erlaubt es insbesondere, durch eine Analyse des Funktionsmaterials insbesondere eine qualitative und/oder quantitative Untersuchung des in dem Elektrolytsystem 20

angeordneten Funktionsmaterials zu ermöglichen. Dadurch kann eine

Bestimmung eines Betriebszustands, wie insbesondere eines Ladeszustands, der Zelle beziehungsweise des Zellelements 14 ermöglicht werden.

Insbesondere kann eine optische Analyse des Elektrolytsystems 20

beziehungsweise des in dem Elektrolytsystem 20 angeordneten

Funktionsmaterials, etwa durch eine Untersuchung des UVA/IS-Spektrums des Funktionsmaterials, von Vorteil sein.

Figur 4 zeigt dabei unterschiedliche charakteristische Absorptionsbanden, welche für unterschiedliche Polysulfide beziehungsweise für Polysulfide vorliegend bei unterschiedlichen Ladezuständen ermittelt wurden. Eine vergrößerte teilweise Ansicht in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis

700 nm ist dabei in Figur 5 gezeigt. Auf der X-Achse ist dabei die Wellenlänge in Nanometern aufgetragen, wohingegen die Y-Achse jeweils dimensionslos die Absorption darstellt.

Dabei entspricht die Linie A einem Entladezustand von 22 %, Linie B einem Entladezustand von 14 %, Linie C einem Entladezustand von 40 %, Linie D einem Entladezustand von 8 %, Linie E einem Entladezustand von 57 %, Linie F einem Entladezustand von 0 %, Linie G einem Entladezustand von 61 % und Linie H entspricht dem Lösungsmittel Dimethylether (DME) mit reinem

Elektrolytsystem ohne Funktionsmaterial, wobei insgesamt eine Verdünnung einer Elektrolytlösung (DME/DOL: 1/1 , unter Zugabe von 1 M LiTFSI) in dem Lösungsmittel in einem Verhältnis von 1 :4 verwendet wurde. Der Entladezustand beschreibt dabei ferner den Zustand einer Entladung bezogen auf die theoretisch mögliche Kapazität. Für den Fall einer Lithium-Schwefel-Zelle etwa bedeutet dies, dass sämtlicher Schwefel ausgenutzt würde. Der Ladezustand bezogen auf die theoretisch mögliche Kapazität von Schwefel ist daher wie folgt ermittelbar: Ladezustand = 100% - Entladezustand. Der tatsächliche Ladezustand ergibt sich mit 100% ^* [1 -(Entladezustand / Schwefelausnutzung)]. Dabei basierten vorgenannte Messungen insbesondere auf einer Extraktion eines Separators 22 mit 2ml Dimethylether, wobei dieses Extrakt nochmals mit reinem Dimethylether in einem Verhältnis von 1 :4 verdünnt wurde.

Figur 6 zeigt ferner ein beispielhaftes Absorptionsverhalten eines in einem Elektrolytsystem 20 angeordneten Funktionsmaterials bei unterschiedlichen Anregungswellenlängen in Abhängigkeit des Ladezustands. Dabei ist auf der X-

Achse der Entladezustand in %, bezogen auf die theoretische Gesamtkapazität aufgetragen, wohingegen die Y-Achse die Absorptionsstärke zeigt. Linie A entspricht dabei einer Wellenlänge von 228 nm, Linie B einer Wellenlänge von 280 nm, Linie C einer Wellenlänge von 305 nm, Linie D einer Wellenlänge von 420 nm und Linie E einer Wellenlänge von 620 nm. In dieser Figur ist zu erkennen, dass, bezogen auf dieses Elektrolytsystem beziehungsweise dieses Zellelement 14, ein weiter Bereich an Anregungswellenlängen möglich ist, eine Anregungswellenlänge von 228 nm jedoch bevorzugt sein kann.

Figur 7 zeigt ferner die Gesamtextinktion, also die Extinktion über eine

Wellenlänge von 280 nm bis 900 nm an der Y-Achse, aufgetragen gegen den Entladezustand in %, bezogen auf die theoretische Gesamtkapazität des Zellelements 14 auf der X-Achse.

Ist neben dem Ladezustand der aktuelle Innenwiderstand und die Kapazität bekannt, kann aus diesen Zustandsinformationen auf Basis der Kenntnis der Eigenschaften des Energiespeichers eine Schätzung von Zustandsdaten, wie beispielsweise gespeicherte und speicherbare Energie, die maximale Lade- und Entladeleistung, der Alterungszustand (State of Health, SOH) oder auch der Funktionszustand (State of Function, SOF) ermittelt werden.