Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem für die Vermessung von Energiezellen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Messverfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.

Bei der Herstellung von Energiezellen oder Energiespeicherzellen, insbesondere Batteriezellen, können sich Fremdkörper zwischen den einzelnen Lagen (Anode, Separator und Kathode), aus denen die Energiezelle aufgebaut ist, ablagern. Dies kann beispielsweise beim Zusammenpressen die Separatorschicht zerstören, was zu einem Kurzschluss der einzelnen Zelle führen und diese somit unbrauchbar machen kann.

Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, werden regelmäßig durch einen Stapel (stack) von Monozellen gebildet. Die Erkennung eines solchen Kurzschlusses vor dem Stapeln der Monozellen ist somit von großer Bedeutung, da durch eine einzelne defekte Monozelle der gesamte Stapel oder die Batteriezelle unbrauchbar wird. Ein Kurzschluss kann beispielsweise vorliegen, wenn der Widerstand deutlich vom typischen Isolationswiderstand der Monozelle abweicht, beispielsweise wenn der Widerstand kleiner als ein vorgegebenen Grenzwiderstand ist.

Um die Produktionskosten der Batterieherstellung weiter zu senken, muss sich unter anderem die Produktionsgeschwindigkeit weiter erhöhen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem und ein Messverfahren bereitzustellen, welche eine Herstellung von Energiezellen mit höherer Prozesssicherheit und Prozessgeschwindigkeit ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den zugehörigen Beschreibungen und Zeichnungen zu entnehmen.

Demnach wird zur Lösung der Aufgabe ein Messsystem für die Vermessung von Energiezellen, vorzugsweise Batteriezellen, insbesondere von trockenen Monozellen, vorgeschlagen. Das Messsystem weist eine Wechselspannungs-Messbrücke oder selbstabgleichende Messbrücke (Auto-Balancing Bridge) auf, und ist dazu eingerichtet, die elektrische Kapazität C und/oder den ohmschen Widerstand R einer Energiezelle mittels einer Hochfrequenzmessung zu messen.

Der Begriff „Hochfrequenz“ bedeutet grundsätzlich, in Abgrenzung vom Mikrowellenbereich, Felder mit einer Frequenz unterhalb 100 MHz. In der Regel beträgt die Frequenz beispielweise 0,5 kHz, weiter beispielsweise 1 kHz oder weiterhin beispielsweise 100 kHz. Weiterhin grenzt sich eine Hochfrequenzmessung von einer Gleichstrommessung einer Energiezelle, insbesondere Batteriezelle, ab, wobei eine Gleichstrommessung über eine Aufladung und/oder Entladung der Zelle den Widerstand bestimmt.

Eine Wechselspannungs-Messbrücke oder auch selbstabgleichende Messbrücke (Auto-Balancing Bridge) ermöglicht eine schnelle Vermessung der Energiezelle, insbesondere einer trockenen Monozelle einer Batteriezelle. Die Vermessung kann bei geringen Strömen und Spannungen erfolgen, was unter anderem eine einfache EMV- konforme Umsetzung ermöglicht. Es besteht somit auch ein geringer Leistungsbedarf und das Kontaktrisiko für einen Bediener wird erheblich reduziert. Weiterhin kann hierdurch eine kompakte Bauform erreicht werden, was die Integration in einen Produktionsprozess zusätzlich vereinfacht.

Das vorgeschlagene Messsystem ermöglicht neben der Messung des ohmschen Widerstands eine Messung der Kapazität einer Monozelle, so dass neben der Überprüfung auf einen Kurzschluss weitere Informationen über die Qualität der jeweiligen Energiezelle, insbesondere der jeweiligen Monozelle, zur Verfügung stehen.

Eine Wechselspannungs-Messbrücke oder auch selbstabgleichende Messbrücke (Auto-Balancing Bridge) bezeichnet eine Messschaltung, wobei der Strom durch eine Referenzimpedanz im Vergleich zum Strom durch ein zu messendes Element oder eine Energiezelle variiert wird bis die Summe der beiden Ströme 0 ergibt. Der Abgleich erfolgt in der Regel über eine gezielte Amplituden- und Phasenänderung des Stromes der durch die Referenzimpedanz fließt. Aus der eingestellten Amplitude und Phase des Stromes durch die Referenzimpedanz kann schließlich die komplexe Impedanz des zu messenden Elements oder der Energiezelle berechnet werden. Liegt beispielsweise ein parasitärer Kurzschluss (paralleler geringer Widerstand) vor, so ändert sich der einzustellende Winkel oder die Phasenlage und die Amplitude des Regelstroms deutlich. Die Detektion eines Kurzschlusses, d.h. ein geringer ohmscher Widerstand, kann somit über den Vergleich des Winkels des einzustellenden Regelstroms mit einem Grenzwert erfolgen. Die zu vermessende Energiezelle kann insbesondere eine Monozelle einer Li-Batterie sein. Das Messsystem eignet sich insbesondere für die Vermessung von trockenen Monozellen einer Batterie, d.h. einer noch nicht mit Elektrolytflüssigkeit befüllten Monozelle. Die Monozelle ist vornehmlich kapazitiv, weshalb die Referenzimpedanz ebenfalls kapazitiv sein sollte. Die Messelektronik, insbesondere die Wechselspannungs-Messbrücke oder auch selbstabgleichende Messbrücke (Auto-Balancing Bridge), ist vorzugsweise an die Kapazität der Energiezelle, insbesondere der Monozelle, angepasst, welche vergleichsweise groß sein kann.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass das Messsystem zur Vermessung von Energiezellen eines kontinuierlichen Produktstroms von Energiezellen eingerichtet ist. Auf diese Weise kann eine Online-Qualitätsüberprüfung realisiert werden, welche die Produktionsgeschwindigkeit nicht mindert.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Messsystem eine Trommel aufweist, wobei das Messsystem zur Vermessung von auf der Trommel geförderten Energiezellen eingerichtet ist. Hierdurch kann die Energiezelle, insbesondere die Monozelle, während der Förderung auf der T rommel vermessen werden, so dass für jede Energiezelle, insbesondere jede Monozelle, in einem Herstellungsprozess ohne negativen Einfluss auf die Prozessgeschwindigkeit eine online Prozesskontrolle durchgeführt werden kann.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass das Messsystem ein Förderband aufweist, wobei das Messsystem zur Vermessung von auf dem Förderband geförderten Energiezellen eingerichtet ist. Hierdurch ergeben sich vergleichbare Vorteile in Bezug auf die Sicherstellung der Prozessqualität und gleichzeitig bei hoher Prozessgeschwindig- keit.

Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe ein Messverfahren zur Vermessung von Energiezellen, vorzugsweise Batteriezellen, insbesondere von Monozellen, vorgeschlagen, wobei die Energiezelle mittels einer selbstabgleichenden Brückenmessmethode (Auto-Balancing Bridge Method) in Bezug auf elektrische Kapazität C und/oder ohmschen Widerstand R vermessen wird.

Die Energiezelle kann mittels des Messverfahrens sehr schnell vermessen werden, so dass in einem Herstellungsprozess jede Energiezelle, insbesondere jede Monozelle, vermessen werden kann, ohne dass die Prozessgeschwindigkeit hierdurch negativ beeinflusst wird. Die Bestimmung der Kapazität gibt Auskunft über die Qualität der Monozelle sowie der Produktion. Die Vermessung der Energiezellen erfolgt vorzugsweise während der kontinuierlichen Förderung der Energiezellen.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Vermessung der Energiezelle auf einem laufenden Förderband oder einer sich drehenden Trommel erfolgt. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Produktstrom, was sich positiv auf die Prozessgeschwindigkeit und die Energieeffizienz des Herstellungsprozesses auswirkt.

Bei der zu vermessenden Energiezelle, insbesondere Monozelle, handelt es sich vorzugsweise um eine sogenannte trockene Energiezelle, so dass bis zum Zeitpunkt der Vermessung der Energiezelle kein flüssiger Elektrolyt hinzugefügt wurde. Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass nach der Vermessung des ohmschen Widerstands einer Energiezelle der ohmsche Widerstand R mit einem Grenzwert verglichen wird, und die Energiezelle bei Unterschreiten dieses Grenzwerts aus einem Produktstrom ausgeworfen wird.

Die Qualität der Herstellung von Energiezellen kann auf die Weise auf einem hohen Niveau ermöglicht werden, wobei insbesondere bei der Vermessung der Monozellen im Produktstrom die Verwendung von Monozellen in einem Stapel zur Bildung einer gestapelten Energiezelle vermieden werden kann. Dies vermeidet weiteren Ausschuss, welcher bei Verwendung einer defekten Monozelle in einer gestapelten Anordnung entstehen würde.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass nach der Vermessung der elektrischen Kapazität C und/oder des ohmschen Widerstands R einer Energiezelle, insbesondere einer Monozelle, die jeweilige elektrische Kapazität C und/oder der ohmsche Widerstand R in einer Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert wird.

Hierdurch kann ein kontinuierliches Qualitätsmonitoring der Produktion von Energiezellen erreicht werden.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass nach der Vermessung der elektrischen Kapazität C einer Energiezelle die elektrische Kapazität C mit einem oberen und/oder unteren Grenzwert verglichen wird, und die Energiezelle bei Überschreiten oder Unterschreiten der jeweiligen Grenzwerte aus einem Produktstrom ausgeworfen wird. Derartige Abweichungen außerhalb von festsetzbaren Grenzwerten können auf mindere Qualität hinweisen, bei- spielsweise durch Laminierfehler, welche unter anderem durch Temperaturabweichungen entstehen können.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass nach der Vermessung der elektrischen Kapazität C einer Vielzahl von Energiezellen, insbesondere Monozellen, welche jeweils voneinander abweichende elektrische Kapazitäten C aufweisen können, zu einem Stapel mit einer Gesamtkapazität C_ges oberhalb eines unteren Grenzwerts und unterhalb eines oberen Grenzwerts kombiniert werden.

Hierdurch können Energiezellen, welche aus einer gestapelten Anordnung von Monozellen gebildet sind, mit einem konstanten Eigenschaftsprofil hergestellt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Messsystem für die Vermessung von Monozellen auf einer Trommel; und

Fig. 2 ein Messsystem für die Vermessung von Monozellen auf einem Förderband.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems 10 für die Vermessung von Energiezellen 20 schematisch dargestellt. Das Messsystem 10 weist eine selbstabgleichende Messbrücke (Auto- Balancing Bridge) 11 auf, mit der eine Energiezelle 20, in diesem Ausführungsbeispiel eine trockene Monozelle für eine Li-Batterie, kontaktiert wird. Durch die selbstabgleichende Messbrücke (Auto-Balancing Bridge) 11 wird die Energiezelle 20 über eine Hochfrequenzmessung bezüglich der elektrischen Kapazität C und den ohmschen Widerstand vermessen. Die selbstabgleichende Messbrücke (Auto-Balancing Bridge) 11 ermöglicht in einfacher Weise die Messung beider Werte in einer kurzen Messung.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die Energiezelle 20 auf einer Trommel 12 in einem kontinuierlichen Produktstrom gefördert. Wie durch die Pfeile in der Figur 1 illustriert, wird die Vermessung der Energiezelle 20 durch das Messsystem 10 während der kontinuierlichen Förderung vorgenommen. Dies ermöglicht zusammen mit der kurzen Messdauer mittels der selbstabgleichenden Messbrücke (Auto-Balancing Bridge) 11 eine online Vermessung der Energiezelle 20 ohne den Produktstrom zu unterbrechen oder zu verlangsamen.

In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messsystems 10 schematisch gezeigt, wobei die Energiezelle 20 abweichend vom Ausführungsbeispiel der Figur 1 kontinuierlich auf einem Förderband 13 gefördert wird, während mittels der selbstabgleichenden Messbrücke (Auto-Balancing Bridge) 11 die Energiezelle 20 vermessen wird.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 und 2 ist jeweils eine Datenverarbeitungseinrichtung 14 vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, die aufgenommenen Messdaten, vorzugsweise ohmscher Widerstand R und elektrische Kapazität C, zu speichern.

Beide Messdaten der jeweiligen Energiezelle 20 können für die Bewertung der Qualität herangezogen werden. Die gespeicherten Messdaten der jeweiligen Energiezelle 20 können dann in der Datenverarbeitungseinrichtung 14 mit vorgegebenen Grenzwerten vergleichen werden, wobei insbesondere Energiezellen 20 mit einem ohmschen Widerstand unterhalb eines bestimmten Grenzwerts in der Regel aufgrund eines erkannten Kurzschlusses in der Energiezelle 20 unbrauchbar sind. Unbrauchbare Energiezellen 20 können auf diese Weise im laufenden Produktstrom erkannt werden und durch einen von der Datenverarbeitungseinrichtung gesteuerten Auswurf 16 aus dem Produktstrom entfernt werden. Etwaige Kurzschlüsse in einer Monozelle können daher frühzeitig erkannt werden, so dass diese unbrauchbaren Energiezellen 20, insbesondere Monozellen, beispielsweise nicht zu einem Stapel 15 gestapelt werden. Daher kann durch die Vermessung die Herstellung von unbrauchbaren Stapeln 15 durch Kurzschlüsse in einzelnen Monozellen vermieden werden.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Gesamtkapazität C_ges eines Stapels 15 mit einer festgelegten Anzahl von einzelnen Energiezellen 20 oder Monozellen mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 14 optimiert werden, so dass vermessene Energiezellen 20 mit ihren jeweiligen elektrischen Kapazitäten C sortiert und zu mehreren Stapeln 15 kombiniert werden können, die in einem vorgegebenen Bereich einer Gesamtkapazität C_ges oder einer Durchschnittskapazität der einzelnen Energiezellen 20 des Stapels 15 liegen, wodurch gleiche Eigenschaften über eine Vielzahl von Stapeln erreicht werden kann.