CN103457005B - 具有压敏的薄膜传感器的蓄电池单元 - Google Patents

具有压敏的薄膜传感器的蓄电池单元 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有蓄电池单元壳体(12)和安置在所述蓄电池单元壳体(12)内的电极线圈(20)的蓄电池单元(10)。所述电极线圈(20)至少局部地被压敏的薄膜传感器(30)所覆盖。此外，本发明还涉及一种具有至少一个这样的蓄电池单元(10)的蓄电池的蓄电池管理系统。

Description

具有压敏的薄膜传感器的蓄电池单元
技术领域
本发明涉及一种蓄电池单元和一种用于包含相应的蓄电池单元的蓄电池的蓄电池管理系统。此外，本发明还提供了一种具有这样的蓄电池管理系统的混合动力和电动机动车。
背景技术
未来，新型的蓄电池系统不仅投入到静态的应用领域，例如风力发电设备、诸如混合动力车辆和电动车辆的机动车，而且还应用于电子装置，例如笔记本电脑或移动电话，这一趋势将日渐明朗，这在可靠性、安全性、性能和使用寿命方面对新的电池系统提出了特别高的要求。
蓄电池应用于至少部分地由电力驱动的车辆中，以便存储用于支持驱动装置或本身作为驱动装置的电机的电能。在这里，在新一代的车辆中使用的是所谓的锂离子蓄电池单元。这种蓄电池单元的突出之处是能量密度高和自放电特别低。锂离子蓄电池单元具有一个正极和一个负极，在电极上面锂离子能可逆地嵌入或重新脱嵌。通常来说，多个蓄电池单元合并为一个蓄电池模块，并且接下来多个蓄电池模块通过并联连接或串联连接合并为一个蓄电池。在这里，所面临的一个严峻的挑战是需要一个有效的、能够监控蓄电池的各蓄电池单元的功能并控制其充电过程的蓄电池管理系统。通过这种方式能够例如关断和/或桥接有缺陷的蓄电池单元，输出有关充电状态的状态消息以及必要时平衡蓄电池单元。
背景技术中的锂离子蓄电池单元通常具有一个金属的蓄电池单元壳体，在该蓄电池单元壳体内安置有至少一个电极线圈。该电极线圈包括两个上面涂敷有活性的阴极或阳极材料的金属的基板。在两个极板之间有一个隔板。蓄电池单元的电连接是通过电极线圈的上侧或下侧来实现的。
此外，已知了在不同的充电状态下锂离子蓄电池单元的体积会发生显著的膨胀和收缩；也就是说，在充电时蓄电池单元的电极线圈会膨胀并且在放电时重新收缩。这种体积上的变化是通过锂离子在电极内的嵌入或脱嵌过程造成的。当蓄电池单元相应地发生变形时，这种体积上的变化会通过蓄电池单元的壳体继续向外传递并进而导致蓄电池的几何尺寸发生变化。因此，背景技术中的锂离子蓄电池单元的壳体是由一种刚性的金属体构成。
US2006/0246345A1描述了一种以锂离子蓄电池单元为基础的蓄电池模块，在该蓄电池模块中，在蓄电池单元的壳体之间安置有压电式传感器。由该传感器探测的测量值被输送给蓄电池管理系统并且用于例如识别蓄电池的状态。
DE102007063188A1涉及另一种蓄电池，该蓄电池是由多个锂离子蓄电池单元组成的。在此，压力传感器被集成在蓄电池单元的金属壳体内或位于壳体的外部。利用通过该压力传感器确定的壳体的弹性变形能说明蓄电池的状态。
此外，背景技术中的解决方案的缺点是，把一个压力传感器放置在壳体的内壁或壳体的外部对电极线圈的体积变化不能提供直接的说明。因此，不能全面地进行可靠的蓄电池状态识别。
发明内容
借助依据本发明的蓄电池单元，尤其是锂离子蓄电池单元能够解决或者至少是能够减少背景技术中的一个或多个缺点。所述蓄电池单元具有蓄电池单元壳体和安置在蓄电池单元壳体内的电极线圈。所述蓄电池单元的突出之处在于电极线圈至少局部地被压敏的薄膜传感器所覆盖。
本发明基于以下知识，即借助于位于蓄电池单元壳体内并且在那里与电极线圈直接接触的薄膜传感器能够提供特别准确的用于电极线圈的体积变化的测量参数。其中，薄膜传感器被设置为压敏的薄膜传感器。
优选地，压敏的薄膜传感器被设置成环绕所述电极线圈的带子。也就是说，所述薄膜传感器是围绕着电极线圈(在用于电连接的连接点的外部)绕制的。
压敏的薄膜传感器尤其是具有电阻式、电容式、压阻式或压电式功能元件。换句话说就是，压敏的薄膜传感器优选是一种电阻式、电容式、压阻式或压电式的压力传感器。
压阻式的压力传感器包含具有安装了电气的电阻的膜片，并且主要被制成硅压力传感器。通过与压力相关的膜片变形和在上扩散的与所述变形相关的电阻，将形成一个电压。压力传感器制造起来费用低廉并且具有相对较高的灵敏度。虽然用于测量压力的材料具有较强的温度依赖性，但是，由于这种影响对所有的电阻都一样，因此，也能够通过形成差值的电路使这种影响不会发挥任何作用。
在压电式传感器中，将借助于压力通过电荷分离而在晶体内生成电压。离子通过压力在晶体的内部移动，由此在表面上与力成比例地形成电荷。电荷通过电荷放大器转换为成比例的电压。压电式传感器原则上只测量力。如果使用的是压力测量技术中的传感器，那么压力必须通过膜片才能按比例地转换成力。此外，压电式传感器的优势在于其对高温的灵敏度较低和高的灵敏度。
电容式压力传感器包含两个电容器。在施加压力时，膜片与两个位于两侧的相对的电容器板之间的距离发生变化并由此引起电容器的电容逆向变化。大多数时候，电容器是内部的放大器的一部分，其输出信号与电容差相关。
此外，特别优选的一种实施形式是在所述实施形式中压敏的薄膜传感器是压阻式的压力传感器或压电式的压力传感器并且在薄膜传感器的范围内能够通过热敏的薄膜传感器来获取温度。由此能够完全直接地并且高度准确地校准测量值的温度依赖性。
此外，优选地，蓄电池单元的电极连接端用作压敏的薄膜传感器的信号线。换句话说就是，按照电源线的原理传输测量信号，例如，像在已知的载频设备中利用电源线通过已有的通信网络和电网进行语音传输和数据传输那样。为此，信号还额外地通过一个或多个载频被调制到已有的线路上。由此能够实现蓄电池单元的特别紧凑的结构并且省去额外的信号线与薄膜传感器的连接。
本发明的另一方面提供一种包含至少一个上述的蓄电池单元的蓄电池的蓄电池管理系统。所述蓄电池管理系统包含蓄电池状态识别装置。所述蓄电池状态识别装置被设置为读入由压敏的薄膜传感器所提供的测量值或从所述测量值导出的数值并且利用它们作为分析参数来确定蓄电池状态。特别地，所述蓄电池状态识别装置被设置为借助于所述测量值或导出的数值确定所述蓄电池的充电状态(SOC)或老化状态(SOH)。基于这些特征参数能够例如在可给定的负载配置(Lastprofilen)(SOF)的情况下实现蓄电池电压的预告，而这又能够作为电能管理的输入来控制机动车内的能量流。换句话说就是，通过在电极线圈上探测压力关系能够直接地说明蓄电池的充电状态(StateofCharge，SOC)。此外，也能够对老化状态(StateofHealth，SOH)进行说明，因为随着时间的推移电化学特性会变化，例如，蓄电池单元的可用电容变差。因此，经过多次充电循环之后或由于蓄电池单元可能遭受的不可修复的损坏，在电极线圈上的压力关系也会发生变化。另一个优点在于，能够提高蓄电池单元的安全性。蓄电池单元是由高反应性的可燃物质组成的，这些物质在受到极端的外部影响时(高温，过充电，机械变形)是一种大的危险源。基于直接对在电极线圈上的压力关系的探测，能够例如在发生自发放热反应而引起蓄电池燃烧或爆炸之前提前采取应对措施。所述应对措施包括例如快速地并且受控地进行蓄电池单元的放电。
最后，本发明还涉及一种含有这样的蓄电池管理系统的混合动力车辆或电动车辆。
在优选的实施方式中和说明书中将描述本发明的有利的改进方案。
附图说明
将借助于附图和后续的说明书进一步阐述本发明的实施例。唯一的附图示出了：
图1以局部剖视图示出了依据本发明所述的蓄电池单元。
具体实施方式
图1以局部剖视图示出了蓄电池单元10。蓄电池单元10包括金属的蓄电池单元壳体12，其上侧被盖板14封住。在盖板14的区域内安置有负极16和过压阀18。电极线圈20位于蓄电池单元壳体12的内部，该电极线圈是由阳极22、阴极24和位于其间的隔板26组成的线圈。阳极22在电极线圈20的上侧通过导电体28与负极16电连接。阴极24位于形成正极的金属的蓄电池单元壳体12上。
压敏的薄膜传感器30直接位于电极线圈20处，在这里是电容式的压力传感器。如图所示，隔板26也是围绕着薄膜传感器30绕制的。但是，薄膜传感器30也能够只安装在电极线圈20的外侧。
置入薄膜传感器30这一工序能够直接整合在电极线圈20或蓄电池单元10的制造过程之中并且借此能够明显地节省成本。薄膜传感器30具有特别低的结构高度，因此不会妨碍蓄电池单元化学过程。例如，由于能够同时印制薄膜传感器30的引线，薄膜传感器30通常不需要额外的粘合过程。薄膜传感器30也能够例如用作电极线圈20的保护膜。
压敏的薄膜传感器30能够具有通过常用的制造工艺制造的电阻式、电容式、压阻式或压电式功能元件。所以，例如能够使用压制法、层压法或粘合法。为了能够有效地探测电极线圈20的体积收缩和由此引起的在各层之间的机械应力，应该对电极线圈20的边缘区域不作分析或不配置薄膜传感器30。
在一种实施形式中，薄膜传感器能够是电容式薄膜传感器30。为此，在聚合物载体薄膜上面涂敷全表面的或结构化的、平面的例如含铝的第一金属涂层作为电极。该金属涂层被电介质所覆盖，该电介质是可弹性地复位变形的材料(例如聚酰亚胺)。之后，再涂敷全表面的或结构化的、平面的第二金属涂层，通过该金属涂层产生的电极与第一金属涂层的电极基本上是并行安置。最后，实现覆盖层(例如漆层或聚合物薄膜作为防腐层或防氧化层)。通过两个电极的距离变化能够改变电容，并且根据该参数能够推导出蓄电池内的当时的压力或这获取电极线圈20的体积变化。
替代地，薄膜传感器也能够设置成压电式的薄膜传感器30。优选地，压电式的薄膜是由聚偏氟乙烯(PVDF)、透明的部分结晶的热塑性塑料制成的，热塑性塑料为了生成压电性能而被极化处理，就是说，被加热处理、单维拉长并且在偶极子方向上被置于强大的定向电磁场之下。为了排出在变形过程中产生的偶极子电荷，PVDF薄膜被涂敷一层金属。优选地，该金属涂层是由黄金或铜镍合金形成的。然后，能够借助于电极在压电薄膜的边缘处截取电荷并借助于电荷放大器使得电荷转换成可测量的电压。传感器的能源供应能够例如借助于蓄电池电压来实现。
由薄膜传感器30提供的测量值通过导电体28和负极16作为载频调制到蓄电池的连接线(在这里未显示)上。一个(在这里同样未显示的)蓄电池管理系统获取该测量值并且此外在蓄电池状态识别装置中对该测量值进行分析，以便确定充电状态(SOC)或老化状态(SOH)。在蓄电池管理系统内，所探测的压力关系能够例如用于蓄电池的状态监控或确定蓄电池的低的特征值。同时，通过压力关系的探测能够实现蓄电池单元的无危险的循环再利用。

Claims (7)

1.一种蓄电池单元(10)，其具有蓄电池单元壳体(12)和安置在所述蓄电池单元壳体(12)内的电极线圈(20)，其特征在于，所述电极线圈(20)至少局部地被压敏的薄膜传感器(30)所覆盖，其中，所述压敏的薄膜传感器(30)被设置为环绕所述电极线圈(20)的带子。
2.根据权利要求1所述的蓄电池单元，其中，所述压敏的薄膜传感器(30)具有电阻式、电容式、压阻式或压电式的功能元件。
3.根据前述权利要求中任一项所述的蓄电池单元，其中，所述蓄电池单元(10)的电极连接端用作所述压敏的薄膜传感器(30)的信号线。
4.根据权利要求2所述的蓄电池单元，其中，所述压敏的薄膜传感器(30)是压阻式的或压电式的薄膜传感器，并且在所述薄膜传感器(30)的区域内的温度将通过热敏的薄膜传感器来获取。
5.一种蓄电池的蓄电池管理系统，所述蓄电池包含至少一个具有蓄电池单元壳体(12)和安置在所述蓄电池单元壳体(12)内的电极线圈(20)的蓄电池单元(10)，其中，所述蓄电池管理系统包括蓄电池状态识别装置，其特征在于，所述蓄电池单元(10)的所述电极线圈(20)至少局部地被压敏的薄膜传感器(30)所覆盖，并且所述蓄电池状态识别装置被设置为读入由所述压敏的薄膜传感器(30)所提供的测量值或由该测量值导出的数值并且将由所述压敏的薄膜传感器(30)所提供的测量值或由该测量值导出的数值用作用于确定蓄电池状态的分析参数，其中，所述压敏的薄膜传感器(30)被设置为环绕所述电极线圈(20)的带子。
6.根据权利要求5所述的蓄电池管理系统，其中，所述蓄电池状态识别装置被设置为借助于由所述压敏的薄膜传感器(30)所提供的测量值或从该测量值导出的数值确定充电状态(SOC)或老化程度(SOH)。
7.一种混合动力或者电动机动车，其具有根据权利要求5或6中任一项所述的蓄电池管理系统。
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