CN104733796B - 用于探测电池组电池的紧要状况的接触传感元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于探测电池组电池的紧要状况的接触传感元件。描述一种电池组电池，尤其是锂离子电池组电池，其包括负电极(25)、隔离器(24)和正电极(23)，其中该电池组电池具有接触传感元件(1)，用以探测邻近该接触传感元件(1)或对该接触传感元件(1)施加压力的元件。

Description

用于探测电池组电池的紧要状况的接触传感元件
技术领域
本发明涉及按照独立权利要求的前序部分的电池组电池、尤其是锂离子电池组电池，该电池组电池具有接触传感元件，用于探测邻近该接触传感元件或对该接触传感元件施加压力的元件，以及用于运行该接触传感元件的方法。
背景技术
电池组电池是一种电化学蓄能器，该电化学蓄能器在其放电时通过电化学反应把所存储的化学能转换为电能。其特征在于，将来不仅在诸如风力发电装置的固定应用中，在被设计为混合动力或电动汽车的汽车中，而且在电子仪器中，使用新型电池组系统，对这些电池组系统提出关于可靠性、安全性、效率和寿命的非常高的要求。
由于其大的能量密度，尤其是锂离子电池组被用作电气驱动汽车的蓄能器。
在DE 202004006598 U1中公开了一种接触敏感的显示装置(触摸屏)，具有显示单元、尤其是屏幕和有接触敏感的表面的传感元件，其中该传感元件在接触时向控制装置输出关于接触位置的信息信号。
DE 102011108803 A1公开了一种用于输入装置的塑料薄膜，具有布置于其上的彼此电绝缘的但在交叉点上电容耦合的导电体，该输入装置尤其将触摸模块和操作元件相结合。
US 6819316 B2公开了一种柔性电容式接触传感器，它包括薄的柔性的透明的和绝缘的载体。在该载体上在一侧涂覆有由结实的材料构成的薄的柔性的和透明的层，并且薄的、柔性的、透明的和对压力敏感的由粘性材料构成的薄层位于该载体的另一侧，该薄层又被保护薄膜覆盖。由结实的材料构成的该层包括集成的电极、电线和导电区域。
发明内容
按照本发明提供一种具有独立权利要求的表征特征的具有集成的接触传感元件的电池组电池以及用于运行该接触传感元件的方法，该接触传感元件用于探测邻近接触传感元件或对该接触传感元件施加压力的元件。
这尤其基于，该接触传感元件探测邻近该接触传感元件或对该接触传感元件施加压力的元件、例如进入该电池组电池的尖锐物体、例如由于碰撞或事故而实现的电池组电池的变形，并且由此在该电池组电池的相应的部位上出现增大的局部压力。此外，该接触传感元件通过检测相应部位上局部增大的压力来探测事件、诸如电池组电池的掉落、该电池组电池的震动或碰撞等等。此外由该接触传感元件探测元件，诸如积聚在该接触传感元件上的自由颗粒和化学元素。
在此情况下有利的是，借助于接触传感元件监视该电池组电池的状态，由此尤其识别诸如上面提到的紧要状况。通过提早识别紧要状况，迅速地导入用于排除该紧要状况的措施。这样，例如可以防止由电池组电池中的紧要条件以及电池组电池的短路造成的电池组电池的其他损坏和该电池组电池的提前老化。此外，这样的接触传感元件的制造是简单而且成本低的。
此外有利的是，与传感器、诸如虽然识别加速度但是必须通过成本过高的软件来探测该加速度是有害还是无害的加速度传感器的使用相比，对该接触传感元件的接触或压力施加的所确定的位置可以直接被用作例如用于导入与安全有关的动作的另一电路的触发器。
本接触传感元件的其他有利的实施方式由从属权利要求得出。
因此有利的是，在一种实施方式中该接触传感元件集成到电池组电池的薄膜中，因为薄膜一方面是薄的，因此它可以以节省空间的方式被定位在该电池组电池中的不同的部位处，而另一方面是柔软的，使得该薄膜和所集成的接触传感元件可以通过其柔性对机械作用、例如碰撞进行补偿而不毁坏。此外可能的是，具有集成的接触传感元件的薄膜以不同的形式、例如以被卷绕的形式来实施，而不损坏该薄膜。
在另一种有利的实施方式中该接触传感元件被实施为电容式传感元件。在电容式传感元件的情况下不需要作用于接触传感元件上的机械压力，以便由该接触传感元件探测。只通过接触传感元件与导电元件、例如甚至与锂离子的接触，使接触传感元件之内的电场改变，由此发生可测量的电脉冲。在电容式传感元件的情况下有利的是，只接近该接触传感元件、然而丝毫没有对该接触传感元件施加压力的元件被探测，因为这样的元件可能隐藏潜在危险，然而并非利用所有接触传感元件都能检测到。另一个优点是，电容式传感元件非常精确。此外，它们对化学药品稳定，而且对机械损坏非常不敏感。按照一种实施方式，此外有利的是，将接触传感元件的格栅状布置的印制导线借助印刷方法涂覆到该薄膜上，因为这成本比较低而且节省时间。有利的是，使用由铜和/或银构成的印制导线，因为这些印制导线具有高的导电性和导热性。此外，铜非常稳定。此外，有利的是，印制导线具有大约1-25nm的直径，因为所述印制导线在这个数量级上在该电池组电池中不呈现出值得一提的附加重量。印制导线的直径越小，该接触传感元件例如在其中集成了接触传感元件的薄膜的卷绕方面就越柔软。
在另一种有利的实施方式中，该接触传感元件被实施为电阻式传感元件。电阻式接触传感元件比较物美价廉、非常精确，并且此外对湿度相对不敏感。在此情况下可以使用四线、五线、六线、七线或八线技术，其中四线是所提到的技术中最简单的技术。
在一种特别有利的实施方式中，该接触传感元件集成到电池组电池的隔离膜中。这样，该接触传感元件可以探测直接邻近该隔离膜或对该隔离膜施加压力的元件。这样的元件例如是在制造电池组电池时处于该电池组电池中的颗粒。此外，树枝晶可以被接触传感元件识别，所述树枝晶例如从阳极出发直至隔离器而形成，并且当所述树枝晶未被及早识别时，隐藏着穿透隔离器的危险，这在大多数情况下导致短路。在通过集成到隔离膜中的接触传感元件及早识别这样的危险时有利的是，可以及早导入用于排除紧要状况的措施。这样可以避免电池组电池的损坏或必要时避免短路。此外，这样延长电池组电池的功能能力和寿命。
此外，有利的是，不必将另外的薄膜集成到该电池组电池中，而是可以只把接触传感元件集成到已经存在的隔离膜中。
在另一种特别有利的实施方式中，该接触传感元件集成到包围电池组电池的负电极、隔离器和正电极的电池卷膜中。这样，该接触传感元件可以探测直接邻近该电池卷膜或对该电池卷膜施加压力的元件。在此情况下优点是，识别作用于集成到电池卷膜中的组成部分上的所有机械作用。因而该电池卷膜之内的电池组电池的组成部分的监视比利用传统的用于监视电池组电池的方法更准确和更精确。这样可以避免该电池组电池的损坏或必要时避免短路。此外，这样延长该电池组电池的功能能力和寿命。
此外有利的是，不必将另外的薄膜集成到该电池组电池中，而是可以只把接触传感元件集成到已经存在的电池卷膜中。
在一种有利的实施方式中，该接触传感元件与分析电子设备和用于导入与安全有关的动作的单元连接。在此情况下该分析电子设备和/或该用于导入与安全有关的动作的单元可以被集成到该电池组电池的附加薄膜中。该薄膜例如可以被定位在电池组电池的外壳的内侧上，尤其是在外壳的盖子的内侧上，或直接与由该电池组电池的正电极、隔离器和负电极构成的复合装置物理接触。在此情况下优点是，与替代方案、诸如把电子设备以部件、诸如印刷电路板的形式集成到该电池组电池本身中相比，该分析电子设备和/或该用于导入与安全有关的动作的单元的空间需求明显更小。与替代方案相比成本同样明显更小。此外，薄膜可以在连续的过程中被加工，由此节省时间和成本。集成到薄膜中的分析电子设备和/或用于导入与安全有关的动作的单元是柔软的而且可以电绝缘，使得它们可以被安置或引入到任意的外壳部件上，例如还可以被直接安置或引入到该电池组电池的电池卷膜上。
附图说明
本发明的实施方式在附图中被示出并在随后的附图说明中更详细地被解释。
图1示出具有格栅状布置的印制导线的投影电容式接触传感元件的示意性正面图；
图2示出按照本发明的电池组电池的电阻式接触传感元件的示意性侧面图，该电池组电池具有对该电阻式接触传感元件施加压力的物体；
图3a示出按照本发明的电池组电池的、由按照本发明的第一实施方式被具有集成的接触传感元件的电池卷膜包围的正电极、隔离器和负电极构成的复合装置的示意图；
图3b示出按照本发明的电池组电池的、由被电池卷膜包围的正电极、隔离器和负电极构成的复合装置的示意图，并且其中按照本发明的第二实施方式的第一变型方案，接触传感元件集成到隔离器中；
图3c示出按照本发明的第二实施方式的第二变型方案的按照本发明的电池组电池的、由正电极、隔离器、负电极以及另一个具有集成的接触传感元件的薄膜构成的被电池卷膜包围的复合装置的示意图，其中该另一薄膜被布置在隔离器和负电极之间；
图3d示出按照本发明的第二实施方式的第三变型方案的按照本发明的电池组电池的、由正电极、隔离器、负电极以及另一个具有集成的接触传感元件的薄膜构成的被电池卷膜包围的复合装置的示意图，其中该另一薄膜被布置在隔离器和正电极之间；
图3e示出按照本发明的第二实施方式的第四变型方案的按照本发明的电池组电池的、由正电极、隔离器、负电极以及具有集成的接触传感元件的另外的薄膜构成的被电池卷膜包围的复合装置的示意图，其中所述另外的薄膜被布置在隔离器和正电极之间和在隔离器和负电极之间；
图4示出按照本发明的一种实施方式的电池组电池的外壳盖子的下侧的示意图，其中具有集成的分析电子设备的附加薄膜被涂覆到外壳盖子上；以及
图5示出按照本发明的另一种实施方式的由正电极、隔离器和负电极构成的复合装置的示意图，其中具有集成的分析电子设备的附加薄膜被涂覆到该复合装置上。
具体实施方式
在图1中示出了常规的投影电容式接触传感元件1，它是电容式接触传感元件1的一个可能的变型方案，其中在具有导电图案的两个不同的平面上探测由接触造成的电容改变。接触传感元件1包括例如由铜、银或铟锡氧化物构成的第一印制导线5、7的导电格栅结构，其中在载体3的上侧涂覆有指向x方向的平行布置的第一印制导线5，并且在载体3的下侧安置有定向于y方向上的平行布置的第二印制导线7。印制导线5、7相对于彼此电绝缘。在载体3的上侧涂覆的定向于x方向上的第一印制导线5例如作为传感器起作用，而在载体3的下侧涂覆的定向于y方向上的第二印制导线7例如作为驱动器起作用。印制导线5、7通过连接导线9与控制单元11连接。通过控制单元11将例如交流电压施加到定向于y方向上的第二印制导线上，由此在定向于y方向上的第二印制导线7和定向于x方向上的第一印制导线5之间出现电容耦合。在具有在上侧和下侧安置的印制导线5、7的载体3上涂覆有未示出的保护层17，例如，薄膜。若导电物体19接触保护层17，则发生电容改变，由此通过例如可以集成到控制单元11中的分析电子设备计算接触点的坐标。
印制导线5、7可以例如被压印或借助于电镀方法被涂覆到载体3上。
存在电容式接触传感元件1的具有不同工作方式的其他变型方案。这些变型方案同样一起被包括在本发明的上下文中。
在电容式接触传感元件1的情况下即使导电物体的单纯的接近也可能导致电容改变。如果谈到由接触造成的电容改变，则以此还意味着由导电物体的接近造成的电容改变。
图2示出常规的电阻式接触传感元件1，它包括两个平行布置的由铟锡氧化物构成的导电层13a、13b。导电层13a、13b通过绝缘的距离保持元件15彼此分离。第一导电层13a涂覆到载体3上，第二导电层13b被保护层17、例如塑料薄膜覆盖。电压被施加到导电层13a、13b上，使得例如在第一导电层13a上在x方向上施加电压梯度并且在第二导电层13b上在y方向上施加电压梯度。若例如通过物体19、例如通过树枝晶对接触传感元件1施加压力，则第二导电层13b被压到第一导电层13a上，由此建立电接触，该电接触使导电层13a、13b在该部位处的电压改变。通过测量电阻根据x和y方向上的电压梯度的改变，由未示出的分析电子设备计算受压点的坐标。
为了运行电阻式接触传感元件1可以利用不同的技术。四线技术是最简单的技术，其中交替地在分别不同的取向上将电压施加到两个导电层13上。在这种技术中分别成对地在上和下导电层上安置4条连接线。
在五线技术中4条连接线分别连接在下导电层13的角上。上导电层13用于通过附加的第五连接线截取电压。
六线和七线技术是该五线技术的变种，而八线技术是该四线技术的变种。在这些技术中附加的连接线被用于不是在引线上、而是通过单独的测量线截取所测量的电压。
图3a示出按照第一实施方式的电池组电池的复合装置20的示意图，该复合装置包括被电池卷膜21包围的负电极25、隔离器24和正电极23。接触传感元件1集成到该电池卷膜21中。直接邻近具有集成的接触传感元件1的电池卷膜21或对该电池卷膜施加压力的元件由该接触传感元件1探测。
图3b示出按照第二实施方式的第一变型方案的电池组电池的复合装置20的示意图，该复合装置包括被电池卷膜21包围的负电极25、隔离器24和正电极23。隔离器24在这里被实施为其中集成了接触传感元件1的隔离膜26。直接邻近具有集成的接触传感元件1的隔离膜26或对该隔离膜施加压力的元件由接触传感元件1探测。
图3c示出按照本发明的第二实施方式的第二变型方案的电池组电池的被电池卷膜21包围的复合装置20的示意图，该复合装置包括正电极23、隔离器24、负电极25以及另一个具有集成的接触传感元件1的薄膜27。该另一个具有集成的接触传感元件1的薄膜27布置在隔离器24和负电极25之间。直接邻近该另一个具有集成的接触传感元件1的薄膜27或对该薄膜施加压力的元件由接触传感元件1探测。
图3d示出按照本发明的第二实施方式的第三变型方案的电池组电池的被电池卷膜21包围的复合装置20的示意图，该复合装置包括正电极23、隔离器24、负电极25以及另一个具有集成的接触传感元件1的薄膜27。该另一个具有集成的接触传感元件1的薄膜27布置在隔离器24和正电极23之间。直接邻近该另一个具有集成的接触传感元件1的薄膜27或对该薄膜施加压力的元件由接触传感元件1探测。
图3e示出按照本发明的第二实施方式的第四变型方案的电池组电池的被电池卷膜21包围的复合装置20的示意图，该复合装置包括正电极23、隔离器24、负电极25以及分别集成了接触传感元件1的两个另外的薄膜27。所述另外的薄膜27布置在隔离器24和正电极23之间以及在隔离器24和负电极25之间。直接邻近具有集成的接触传感元件1的另外的薄膜27或对这些薄膜施加压力的元件由接触传感元件1探测。
在按照本发明的具有集成的接触传感元件的电池组电池中，相应的薄膜可以包括例如电阻式或电容式接触传感元件1。
直接邻近具有集成的接触传感元件1的薄膜21、26、27或对这些薄膜施加压力的元件由接触传感元件1探测。这样的元件可以是例如进入该电池组电池的尖锐物体，诸如钉子。此外，必要时(例如由碰撞造成的)电池组电池的变形可能导致对具有集成的接触传感元件1的薄膜21、26、27的相应部位的局部压力增大。此外，处于复合装置20之内或由于复合装置20之内的组件的振动、外部加速度或插入运动而在临界位置中运动的元件、诸如自由颗粒在充电周期中对具有集成的接触传感元件1的薄膜21、26、27施加压力。
此外，还探测积聚到具有集成的接触传感元件1的薄膜21、26、27上的金属沉积，诸如树枝晶。
在锂离子电池组电池中，例如当阳极过充电时，可能发生树枝晶生长。即使在使用例如锂合金或锂金属作为阳极材料的新式锂电池组中，在充电时也可能发生锂的多孔树枝状沉积，这些沉积垂直于阳极作为树枝晶在该阳极上生长，并当它们没有被及时察觉时可能穿透在空间上随后的元件、例如隔离器24或隔离膜26。
在所描述的实施方式中和在另外的上下文中利用名称隔离器24还一起包括隔离器24作为隔离膜26的实施可能性。
电池组电池的包括被电池卷膜21包围的正电极23、隔离器24、负电极25以及视第二实施方式的变型方案而定包括另一个薄膜27的复合装置20的组件可以不仅以卷绕的形式而且以堆叠的形式存在。
在卷绕的复合装置20的情况下在一个电池组电池中可以存在一个或者多个卷绕的复合装置20。在此情况下电池卷膜21可以围绕各一个复合装置20被卷绕，或替代地围绕一个电池组电池的多个卷绕的复合装置20共同地被卷绕。
另外，一个复合装置20或多个复合装置20不仅可以处于一个棱柱形电池组电池中，而且可以处于一个袋装电池中，在棱柱形电池组电池的情况下外壳例如由金属或塑料来实施。
接触传感元件1与分析电子设备35连接，该分析电子设备确定对接触传感元件1的接触或压力施加的位置。此外，该接触传感元件1可以与用于导入与安全有关的动作的单元连接。分析电子设备35例如把所分析的数据发送给用于导入与安全有关的动作的单元，该单元然后必要时导入用于排除紧要状况的相应的措施。紧要状况例如可能由于进入该电池组电池的尖锐物体而形成在该电池组电池内部的颗粒或树枝晶，其可能导致该电池组电池的功能降低、充电错误和在最不利的情况下短路。
为了防止这一点，导入用于排除这样的紧要状况的相应的措施，诸如，改变该电池组电池的调温，适配于该状况的充电和放电周期或关断该电池组电池。
在图4中示出了具有两个电流导出器(Stromableiter)31和一个安全阀33的电池组电池的外壳盖子29的内侧。按照本发明的一种特别优选的实施方式，具有集成的分析电子设备35的附加薄膜37例如通过粘上被涂覆到该电池组电池的外壳盖子29的内侧上。该附加薄膜通过连接件34、例如金属线与两个电流导出器31导电连接。
分析电子设备35例如是电绝缘的。对于只需要小电流的电子部件、诸如传感器信号的分析电子设备35或其他简单的电子元件，集成到薄膜中是特别有利的。该电子设备例如可以被定位在该电池组电池的外壳的内侧上，尤其是在外壳的盖子的内侧上。
在一个替代或附加的实施方式中，该电子设备例如可以被定位在该电池组电池的复合装置20上。
在图5中示出了复合装置20，其包括未示出的正电极23、未示出的隔离器24、未示出的负电极25以及未示出的可能的另外的薄膜27。电极23、25分别在相对的侧与电流导出器31接触。具有集成的分析电子设备35的附加薄膜37例如通过粘上被直接涂覆在复合装置20上。具有集成的分析电子设备35的附加薄膜37通过连接件34、例如金属线与两个电流导出器31导电连接。
该具有集成的分析电子设备35的附加薄膜37可选地可以被定位在围绕复合装置20被卷绕的电池卷膜上。
在另一种实施方式中，用于导入与安全有关的动作的单元同样集成到该附加薄膜37中。
表述“附加薄膜”应不仅被理解为附加薄膜37被引入该电池组电池中，更确切地说还应该包括将电子设备集成到已经存在于该电池组电池中的薄膜12、26、27中。
薄膜21、26、27和37例如可以由诸如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯的塑料制成。

Claims (22)

1.电池组电池，具有负电极(25)、隔离器(24)和正电极(23)，其中该隔离器(24)被实施为隔离膜(26)，其特征在于，该电池组电池具有接触传感元件(1)，该接触传感元件(1)用于探测邻近该接触传感元件(1)或对该接触传感元件(1)施加压力的元件，其中该接触传感元件(1)集成到该电池组电池的隔离膜(26)中。
2.按照权利要求1的电池组电池，其特征在于，该电池组电池是锂离子电池组电池。
3.按照上述权利要求中任一项的电池组电池，其特征在于，该接触传感元件(1)是电容式传感元件。
4.按照权利要求3的电池组电池，其特征在于，该接触传感元件(1)包括集成到隔离膜(26)中的格栅状布置的印制导线(5、7)。
5.按照权利要求4的电池组电池，其特征在于，格栅状布置的印制导线(5、7)压印到隔离膜(26)上。
6.按照权利要求4或5的电池组电池，其特征在于，格栅状布置的印制导线(5、7)包括铜和/或银。
7.按照权利要求4或5的电池组电池，其特征在于，格栅状布置的印制导线(5、7)具有1-25nm的直径。
8.按照权利要求1至2中任一项的电池组电池，其特征在于，该接触传感元件(1)是电阻式传感元件。
9.按照权利要求8的电池组电池，其特征在于，该接触传感元件(1)包括两个导电层(13)，所述导电层在作用于其的压力下彼此接触，使得基于所得到的电阻改变能够确定受压点的位置。
10.按照权利要求8的电池组电池，其中该接触传感元件(1)利用四线、五线、六线、七线或八线技术。
11.按照权利要求9的电池组电池，其中该接触传感元件(1)利用四线、五线、六线、七线或八线技术。
12.按照权利要求1至2中任一项的电池组电池，其中负电极(25)、隔离器(24)和正电极(23)被电池卷膜(21)包围。
13.按照权利要求1至2中任一项的电池组电池，其特征在于，该接触传感元件(1)与分析电子设备(35)和用于导入与安全有关的动作的单元连接。
14.按照权利要求13的电池组电池，其特征在于，分析电子设备(35)和/或用于导入与安全有关的动作的单元集成到薄膜中。
15.按照权利要求14的电池组电池，其特征在于，具有集成的分析电子设备(35)和/或用于导入与安全有关的动作的单元的薄膜被定位在该电池组电池的外壳的内侧上。
16.按照权利要求14的电池组电池，其特征在于，具有集成的分析电子设备(35)和/或用于导入与安全有关的动作的单元的薄膜被定位在该电池组电池的外壳盖子(29)的内侧上。
17.按照权利要求14或15中任一项的电池组电池，其特征在于，具有集成的分析电子设备(35)和/或具有用于导入与安全有关的动作的单元的薄膜与由负电极(25)、隔离器(24)和正电极(23)构成的复合装置(20)物理接触。
18.按照权利要求17的电池组电池，其特征在于，负电极(25)、隔离器(24)和正电极(23)以被卷绕的形式存在。
19.用于运行电池组电池的方法，该电池组电池具有负电极(25)、隔离器(24)和正电极(23)，其中该隔离器(24)被实施为隔离膜(26)，其特征在于，该电池组电池具有接触传感元件(1)，该接触传感元件(1)用于探测邻近该接触传感元件(1)或对该接触传感元件(1)施加压力的元件，并把所确定的数据发送给分析电子设备(35)，该分析电子设备把所分析的数据传送给用于导入与安全有关的动作的单元，其中该接触传感元件(1)集成到该电池组电池的隔离膜(26)中。
20.按照权利要求19的用于运行电池组电池的方法，其特征在于，该电池组电池是锂离子电池组电池。
21.按照权利要求19的用于运行电池组电池的方法，其特征在于，用于导入与安全有关的动作的单元导入用于排除紧要状况的措施。
22.按照权利要求21的用于运行电池组电池的方法，其特征在于，所述紧要状况包括该电池组电池的短路。
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