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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein galvanisches Element, auf eine Verwendung eines akustischen Oberflächenwellensensors und auf ein Batteriesystem.
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Bei einer herkömmlichen Batterie werden Temperatur und Spannung der Batterie bereichsweise erfasst, um einen Betriebspunkt der Batterie zu überwachen. Befindet sich die Temperatur außerhalb eines Toleranzbereichs, kann eine Schädigung der Batterie eintreten.
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Die
DE 10 2009 005 228 A1 beschreibt eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen, die über Polanschlüsse zu einer Batterie zusammengeschaltet sind. Die Schutzeinrichtung kann einzelnen Zellen der Batterie zugeordnet werden. Bei Aktivierung der Schutzeinrichtung nimmt die Schutzeinrichtung eine der Schutzeinrichtung zugeordnete galvanische Zelle aus dem Batterieverbund heraus.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein galvanisches Element, eine Verwendung eines akustischen Oberflächenwellensensors und ein Batteriekontrollsystem gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Mit der immer größer werdenden Nachfrage nach alternativen Antriebskonzepten für Fahrzeuge rückt der Elektroantrieb mehr und mehr in den Mittelpunkt der Betrachtung. In der Automobilindustrie zum Einsatz kommende Akkumulatorenpakete bestehen meist aus mehreren Modulen, welche wiederum aus mehreren Zellen, z. B. Lithium-Ionen Zellen, zusammengebaut werden.
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Durch ein effektives Batteriemanagementsystem wird die Funktion der einzelnen Zellen der Batterie überwacht und deren Ladevorgang gesteuert. Ferner können defekte Zellen abgeschaltet und/oder überbrückt und Zustandsmeldungen über den Ladezustand ausgeben werden.
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Ein irreversibler Kapazitätsverlust (Alterung) einer Batteriezelle ist von mehreren Faktoren abhängig. Die Arbeitstemperatur der Zelle ist z. B. einer dieser Faktoren, der die Alterung vorantreibt. Hohe Temperaturen treiben den irreversiblen Kapazitätsverlust voran, indem sie die Reaktion der Elektrode mit dem Elektrolyt beschleunigt. In Kennfeldern können z. B. die Ströme in Abhängigkeit der Temperatur und des Ladezustandes der Batterie abgelegt werden. Auch eine Überladung der Zellen führt zu einer Überhitzung. Wenn dies unbeachtet bleibt, kann es sogar zu einer Entzündung kommen. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um Überladungen und Tiefentladungen zu vermeiden. Hierfür können Sensoren eingesetzt werden, die die Arbeitstemperatur der Batterie-Zellen erfassen. Die Überwachung des Innendrucks der Zelle ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Ein schleichend nachlassender Druck kann auf eine betriebsbedingte elektrochemische Alterung oder eine beginnende Undichtigkeit der Verpackung hinweisen. Altert eine Zelle in einer Serienschaltung, so wird diese nicht nur in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Durch die Alterung kann zunächst ein Innenwiderstand der einzelnen Zelle ansteigen. Im ungünstigen Fall kann dann ein großer Teil der Gesamtspannung des Speichers über diese einzelne Zelle abfallen. Dabei kann die gealterte Batteriezelle soweit überlastet werden, dass zellinterne Sicherungsmaßnahmen nicht mehr ausreichend greifen können.
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Ein spontaner Druckanstieg kann auf eine starke kurzfristige Überlastung der Zelle hindeuten. Neben der Temperaturüberwachung kann die Drucküberwachung bereits einen vorzeitigen Hinweis geben, den Energiespeicher abzuschalten, da die sich die Ausgasung in der Regel deutlich schneller entwickelt als die Temperatur. Daher ist die Überwachung dieser Faktoren mit geeigneten Drucksensoren und zusätzlich oder alternativ mit geeigneten Temperatursensoren essenziell.
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Derzeit werden beim Bau von Akkupacks für Hybrid- und Elektrofahrzeuge bis zu 200 einzelne Zellen zusammengeschaltet und gemeinsam verpackt. Dabei wird normalerweise von jeder Zelle die Spannung gemessen.
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Vorteilhafterweise können SAW-Sensoren, wobei SAW eine surface acoustic wave oder akustische Oberflächenwelle bezeichnet, zur Druck- und Temperaturerfassung einer Batterie- bzw. Einzel-Zellen-Überwachung genutzt werden, um Schädigungen bzw. Frühausfälle zu vermeiden. Die Sensoren sind in die bestehenden Batteriekonstruktionen integrierbar. Je nach Verschaltung kann hierbei eine drahtlose oder drahtgebundene Messwertübertragung, z. B. über Power line Communication erfolgen, ohne dass eine individuelle Verkabelung notwendig ist. Dies spart zum einen Kosten ein, bzw. ermöglicht eine Einzel-Zellen-Temperaturund Druckmessung, die bis jetzt aus Kostengründen nicht durchgeführt wird. Somit kann die Temperatur bei allen Zellen oder Modulen eines Akkupacks erfasst werden, ohne das dies zu einer übermäßigen Verkabelung führt.
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Ein galvanisches Element mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss weist das folgende Merkmal auf:
einen akustischen Oberflächenwellensensor zum Erfassen zumindest eines Parameters des galvanischen Elements.
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Unter einem galvanischen Element kann ein elektro-chemisches Element, beispielsweise eine Batteriezelle, verstanden werden. Im Inneren des galvanischen Elements können elektrochemische Reaktionen zwischen zwei Reaktionspartnern ablaufen, durch die eine elektrische Zellenspannung zwischen den zwei elektrischen Anschlüssen des galvanischen Elements bereitgestellt wird. Die Reaktionspartner sowie in dem galvanischen Element angeordnete Teile der elektrischen Anschlüsse können von einer Hülle umschlossen sein. Die zwei elektrischen Anschlüsse können die Hülle durchdringen. Das galvanische Element kann über die elektrischen Anschlüsse zu einem Verbund mehrerer galvanischer Elemente verbunden werden, um eine Batterie zu bilden. Unter einem akustischen Oberflächenwellensensor kann eine Einrichtung zum Erfassen von Körperwellen verstanden werden. Der akustische Oberflächenwellensensor kann so angeordnet sein, dass der akustische Oberflächenwellensensor in direkten Kontakt mit zumindest einem der Reaktionspartner ist. Alternativ kann der akustische Oberflächenwellensensor geschützt gegenüber den Reaktionspartnern angeordnet sein. Der akustische Oberflächenwellensensor kann ein Substrat umfassen, auf dem elektrische Leitungen, beispielsweise planare Leitungen zum Bilden einer SAW-Struktur angeordnet sind. Mittels der SAW-Struktur kann ein von dem akustischen Oberflächenwellensensor empfangener Aktivierungsimpuls in Körperschallwellen umgewandelt werden, die sich in dem Substrat ausbreiten. Das Substrat kann eine Reflektorstruktur für die Körperschallwellen aufweisen. Die Reflektorstruktur kann beabstandet von der SAW-Struktur auf dem Substrat angeordnet sein oder durch einen Abschnitt des Substrats gebildet sein. An der Reflektorstruktur werden die Körperschallwellen reflektiert und können sich als reflektierte Körperschallwellen in dem Substrat zurück zu der SAW-Struktur ausbreiten. Eine Charakteristik der reflektierten Körperschallwellen kann von dem zumindest einen Parameter des galvanischen Elements abhängig sein. Durch die SAW-Struktur können die reflektierten Körperschallwellen in ein elektrisches Signal gewandelt werden, das von dem akustischen Oberflächenwellensensor als Messsignal ausgesendet werden kann. Eine Charakteristik des ausgesendeten elektrischen Signals kann somit von dem zumindest einen Parameter des galvanischen Elements abhängig sein. Das elektrische Signal kann somit als ein durch den zumindest einen Parameter des galvanischen Elements beeinflusstes Echo des Aktivierungsimpulses aufgefasst werden. Der Parameter kann beispielsweise ein Innendruck und/oder eine Innentemperatur des galvanischen Elements sein. Der Parameter kann zumindest eine physikalische Eigenschaft des Substrats des akustischen Oberflächenwellensensors beeinflussen und damit eine Laufzeit einer Oberflächenwelle auf dem Substrat verändern. Durch die Laufzeit kann er Parameter, beispielsweise der Innendruck und/oder die Innentemperatur repräsentiert werden.
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Der akustische Oberflächenwellensensor kann zum Übermitteln von den zumindest einen Parameter repräsentierenden Daten mit zumindest einem der elektrischen Anschlüsse verbunden sein. Der Sensor kann dazu ausgebildet sein, die erfassten Daten über zumindest einen der elektrischen Anschlüsse, beispielsweise an ein außerhalb des galvanischen Elements angeordnetes Steuergerät zu übermitteln. Der Sensor kann dazu ausgebildet sein, elektrische Impulse zur Kommunikation von dem zumindest einen der elektrischen Anschlüsse zu empfangen und weitere elektrische Impulse über den zumindest einen der elektrischen Anschlüsse auszusenden. Auf diese Weise kann der Sensor über die elektrischen Anschlüsse des galvanischen Elements kontaktiert sein und die elektrischen Anschlüsse zur Kommunikation verwenden.
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Der akustische Oberflächenwellensensor kann mittels einer kapazitiven Kopplung mit zumindest einem der elektrischen Anschlüsse verbunden sein. Die kapazitive Kopplung kann durch eine zwischen einem elektrischen Anschluss und dem Sensor angeordnete Kapazität gebildet sein. Durch die kapazitive Kopplung kann ein Stromfluss zwischen dem elektrischen Kontakt und dem Sensor unterbunden werden, jedoch können Impulse zur Kommunikation die kapazitive Kopplung passieren.
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Der akustische Oberflächenwellensensor kann eine Antenne aufweisen. Die Antenne kann unmittelbar an dem Sensor angeordnet sein. Die Antenne kann mit der SAW-Struktur des akustischen Oberflächenwellensensors elektrisch leitfähig verbunden sein. Über die Antenne kann beispielsweise ein Aktivierungsimpuls von dem akustischen Oberflächenwellensensor empfangen werden und nach Passieren des akustischen Oberflächenwellensensors wieder ausgesendet werden. Die Antenne kann vollständig oder teilweise innerhalb des galvanischen Elements angeordnet sein. Alternativ kann die Antenne auf einer Oberfläche des galvanischen Elements angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest einer der elektrischen Anschlüsse als Antenne zum drahtlosen Übermitteln der den zumindest einen Parameter repräsentierenden Daten ausgebildet sein. Über die Antenne können erfasste Daten drahtlos, beispielsweise an ein Steuergerät übermittelt werden. Durch eine drahtlose Übermittlung kann ein Verkabelungsaufwand reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der akustische Oberflächenwellensensor in einem Inneren des galvanischen Elements angeordnet sein. Dabei kann beispielsweise das Substrat des akustischen Oberflächenwellensensors in direktem Kontakt mit in dem galvanischen Element angeordneten Reaktionspartner sein. Eine Kommunikation mit dem akustischen Oberflächenwellensensor kann drahtlos oder über eine Leitung, beispielsweise einen elektrischen Anschluss der galvanischen Zelle, durch eine Hülle des galvanischen Elements hindurch erfolgen.
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Alternativ kann der akustische Oberflächenwellensensor an einer Hülle des galvanischen Elements angeordnet sein. Beispielsweise kann der akustische Oberflächenwellensensor dazu ausgebildet sein, einen Innendruck des galvanischen Elements über eine Verformung der Hülle zu erfassen. Der Sensor kann auf einer äußeren Oberfläche der Hülle des galvanischen Elements angeordnet sein. Durch eine Anordnung außerhalb der Hülle des galvanischen Elements kann das galvanische Element mit einer höheren Leistungsdichte gefertigt werden, da der Sensor keinen Platz innerhalb der Hülle belegt.
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Der akustische Oberflächenwellensensor kann ausgebildet sein, um einen Aktivierungsimpuls zu empfangen und den Aktivierungsimpuls zum Erfassen des zumindest einen Parameters zu verwenden. Beispielsweise kann der Aktivierungsimpuls drahtlos oder über eine Leitung, beispielsweise von einem Steuergerät empfangen werden. Über den Aktivierungsimpuls kann dem Sensor eine für das Erfassen des zumindest einen Parameters und das Übermitteln der den zumindest einen Parameter repräsentierenden Daten notwendige Energie zugeführt werden. Der Sensor kann dazu ausgebildet sein, um ansprechend auf den Aktivierungsimpuls eine die Innentemperatur und/oder den Innendruck repräsentierende Information auszusenden.
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Das galvanische Element kann einen weiteren akustischen Oberflächenwellensensor zum Erfassen zumindest eines Parameters des galvanischen Elements aufweisen. Mit einem weiteren akustischen Oberflächenwellensensor kann der andere akustische Oberflächenwellensensor Sensor abgesichert werden. Die beiden Sensoren können an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein. Beispielsweise kann einer der Sensoren im Inneren des galvanischen Elements und der anderer der Sensoren an einer äußeren Oberfläche des galvanischen Elements angeordnet sein. Die Sensoren können ausgebildet sein, um denselben oder dieselben oder unterschiedliche Parameter zu erfassen. Beispielsweise kann mit einem der Sensoren die Temperatur und mit dem anderen Sensor der Druck erfasst werden. Die Sensoren können auch unterschiedliche Messbereiche aufweisen. Durch die Verwendung von zwei oder auch mehreren akustischen Oberflächenwellensensoren für ein galvanisches Element kann das galvanische Element mit einer höheren Sicherheit überwacht werden.
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Somit kann ein akustischer Oberflächenwellensensor vorteilhaft zum Erfassen zumindest eines Parameters einer Batteriezelle eingesetzt werden. Dabei kann der akustische Oberflächenwellensensor in einem Inneren oder auf einer Außenseite der Batteriezelle angeordnet sein. Bei der Batteriezelle kann es sich um ein galvanisches Element handeln. Auch kann unter einer Batteriezelle eine Anordnung aus einem oder mehreren galvanischen Elementen verstanden werden, die von einem Gehäuse umschlossen sind.
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Ein Batteriesystem weist die folgenden Merkmale auf:
eine Batterie mit zumindest einer Batteriezelle mit einem galvanischen Element gemäß dem hier vorgestellten Ansatz; und
ein Steuergerät, das ausgebildet ist, einen Aktivierungsimpuls für den zumindest einen akustischen Oberflächenwellensensor auszusenden und ein Signal von dem zumindest einen akustischen Oberflächenwellensensor zu empfangen.
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Die Batterie kann ein Gehäuse aufweisen, in dem mehrere galvanische Elemente angeordnet sein können. Das Gehäuse kann eine Einrichtung zum Temperieren der galvanischen Elemente aufweisen kann. Die Batterie kann einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweisen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines galvanischen Elements mit einem Sensor innerhalb des galvanischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung eines galvanischen Elements mit einem auf dem galvanischen Element angeordneten Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung eines galvanischen Elements mit einem Sensor innerhalb des galvanischen Elements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines Batteriesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung eines weiteren Batteriesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine Darstellung eines Batteriesystems mit einen galvanischen Element mit einem Sensor mit kapazitiver Kopplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung einer Batteriezelle oder eines galvanischen Elements 100 mit einem akustischen Oberflächenwellensensor 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist innerhalb des galvanischen Elements 100 angeordnet und als ein Funksensor ausgeführt. Auf einer Stirnseite des galvanischen Elements 100 sind ein Pluspol 104 und ein Minuspol 106 als elektrische Anschlüsse angeordnet. Der Pluspol 104 und der Minuspol 106 sind als elektrische Leiter dargestellt, die dazu ausgebildet sind, mittels je einer Durchführung durch eine Hülle des galvanischen Elements 100, elektrische Energie in das galvanische Element 100 einzuleiten oder elektrische Energie aus dem galvanischen Element 100 auszuleiten. Innerhalb der Hülle des galvanischen Elements 100 sind Stoffe angeordnet, die als Reaktionspartner für eine elektrochemische Reaktion des galvanischen Elements fungieren. Der akustischen Oberflächenwellensensor 102 ist innerhalb der Hülle, eingebettet in die als Reaktionspartner fungieren Stoffe angeordnet.
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Der Sensor 102 ist somit innerhalb des galvanischen Elements 100 angeordnet. Der Sensor 102 weist zwei Dipole als Antenne 108 auf. Die Antenne 108 ist mit zwei Anschlüssen eines Zwischenfingerwandlers 110 (Interdigitaltransducers, IDT) verbunden. Der Zwischenfingerwandler 110 ist dazu ausgebildet, bei Empfang eines Anforderungssignals oder Aktivierungsimpulses über die Antenne 108 ein Substrat des Sensors 102, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem piezoelektrischen Einkristall 112 besteht, zu Oberflächenschwingungen anzuregen. Die Oberflächenschwingungen breiten sich als Oberflächenwellen auf dem piezoelektrischen Einkristall 112 aus. In zwei unterschiedlichen Abständen L1 und L2 zu dem Zwischenfingerwandler 110 sind auf der Oberfläche Reflektoren 114 angeordnet. An den Reflektoren 114 wird die Oberflächenwelle zu dem Zwischenfingerwandler 110 zu reflektieren. Abhängig von Umgebungsbedingungen, wie Druck und/oder Temperatur verändert sich eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen. Der Zwischenfingerwandler 110 ist dazu ausgebildet, die an den Reflektoren 114 reflektierten Oberflächenwellen in ein Signal zu wandeln. Das Signal wird über die Antenne 108 als elektromagnetische Welle ausgesandt. Eine Verzögerungszeit zwischen dem Empfang des Anforderungssignals und dem Aussenden des Signals repräsentiert Informationen über die Umgebungsbedingungen, also beispielsweise Innendruck und/oder Innentemperatur am Sensor 102.
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Die Hülle des galvanischen Elements 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise durchlässig für elektromagnetische Wellen. Das Anforderungssignal kann in das Innere des galvanischen Elements 100 zu der Antenne 108 gelangen. Das Signal kann von der Antenne 108 aus den Inneren des galvanischen Elements 100 gelangen.
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Mit anderen Worten zeigt 1 eine schematische Darstellung einer Batterie-Zelle 100, z. B. einer Batteriezelle mit einem auf Lithium- basierenden Reaktionspartner, mit einem integrierten surface acoustic wave (SAW) Sensor 102 zur Messung von Druck und zusätzlich oder alternativ einer Temperatur der Zelle 100. Der Sensor 102 befindet sich innerhalb der Batteriezelle 100 und gibt drahtlos die erfasste Information an ein Steuergerät weiter. Das Übertragen von Temperatur und Druck repräsentierenden Signalen aus der Batteriezelle 100 hinaus ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel möglich, weil eine nicht vollständige metallische Verkapselung der Außenwand der Batteriezelle 100 vorhanden ist.
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2 zeigt eine Darstellung eines galvanischen Elements 100 mit einem akustischen Oberflächenwellensensor 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der akustische Oberflächenwellensensor 102 auf einer äußeren Oberfläche, beispielsweise einer Hülle des galvanischen Elements 100 angeordnet. Abgesehen von der Anordnung des akustischen Oberflächenwellensensors 102 entspricht das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist ausgebildet, um die Innentemperatur des galvanischen Elements 100 und zusätzlich oder alternativ den Innendruck des galvanischen Elements 100 durch die Hülle des galvanischen Elements 100 hindurch zu erfassen. Der Innendruck des galvanischen Elements 100 beeinflusst eine Form der Hülle. Ein Überdruck in dem galvanischen Element 100 dehnt die Hülle aus. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist dazu ausgebildet, die Ausdehnung der Hülle und damit indirekt den Innendruck zu erfassen. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Hülle undurchlässig für elektromagnetische Wellen ausgeführt sein.
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Mit anderen Worten zeigt 2 eine schematische Darstellung einer Batterie-Zelle 100 (z. B. Lithium), mit einem integrierten surface acoustic wave (SAW) Sensor 102 zur Messung von Druck zusätzlich oder alternativ einer Temperatur der Zelle 100. Der Sensor 102 befindet sich auf der Batteriezelle 100 und gibt die erfasste Temperatur, wie auch den Druck drahtlos an das Steuergerät weiter. Der Druck wird über eine Wahrnehmung der Ausdehnung und/oder der Verformung der Außenwand der Batteriezelle 100 erfasst.
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3 zeigt eine Darstellung eines galvanischen Elements 100 mit einem akustischen Oberflächenwellensensor 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist innerhalb des galvanischen Elements 100 angeordnet. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist als ein Funksensor ausgeführt. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten Darstellung. Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der in 3 gezeigte Sensor 102 keine eigenen Dipole als Antenne auf. Der Zwischenfingerwandler 110 ist mit den elektrischen Anschlüssen 104, 106 des galvanischen Elements 100 elektrisch leitfähig verbunden. Die elektrischen Anschlüsse 104, 106 werden von dem Sensor 102 als Antenne verwendet. Da sich die elektrischen Anschlüsse 104, 106 aus der Hülle des galvanischen Elements 100 heraus erstrecken, kann die Hülle undurchlässig für elektromagnetische Wellen ausgeführt sein.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann der akustische Oberflächenwellensensor 102 in Form eines SAW-Sensors durch die Anbindung an die als Power-line fungierenden elektrischen Anschlüsse 104, 106, die gleichzeitig als Antenne außerhalb der Batterie-Zelle 100 dienen, trotz metallischer Verkapslung nach außen zum Steuergerät funken.
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4 zeigt eine Darstellung eines Batteriesystems mit einem galvanischen Element 100 und einem Steuergerät 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das galvanische Element 100 einen akustischen Oberflächenwellensensor 102 auf, der auf der Außenseite der Hülle des galvanischen Elements 100 angeordnet ist. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist wie anhand von 3 beschrieben mit dem Pluspol 104 und dem Minuspol 106 des galvanischen Elements elektrisch leitfähig verbunden. Im Gegensatz zu dem anhand von 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Minuspol 106 über eine elektrische Leitung mit dem Steuergerät 400 verbunden.
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Das Steuergerät 400 ist dazu ausgebildet, ein Anforderungssignal über zumindest einen der elektrischen Anschlüsse 104, 106 des galvanischen Elements an den akustischen Oberflächenwellensensor 102 bereitzustellen und ein Signal des akustischen Oberflächenwellensensors 102 zu empfangen. Das Steuergerät 400 kann mit indirekt über einen Ringschluss über weitere galvanische Elemente mit dem Pluspol 104 verbunden sein.
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In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine direkte Anbindung des SAW-Sensors 102, welcher sich wiederum auf oder in der Batterie-Zelle 100 befinden kann, an das Steuergerät 400 gezeigt. Die 4 zeigt wie auch die nachfolgende 5 einen SAW-Sensor 102 mit direkter Anbindung an das Steuergerät 400. In 4 befindet sich der SAW-Sensor 102 auf der Batteriezelle 100. In 5 befindet sich der SAW-Sensor 102 innerhalb der Batteriezelle 100. Es können jeweils beide Anschlüsse 104, 106 über Leitungen mit dem Steuergerät 400 verbunden sein oder jeweils nur einer der Anschlüsse 104, 106. Somit können Signale zwischen dem SAW-Sensor 102 und dem Steuergerät 400 je nach Ausführungsform über einen oder beide der Anschlüsse 104, 106 geführt werden.
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5 zeigt eine Darstellung eines Batteriesystems mit einem galvanischen Element 100 und einem Steuergerät 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das galvanische Element 100 einen akustischen Oberflächenwellensensor 102 auf, der innerhalb des galvanischen Elements 100 angeordnet ist. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist wie in 4 beschrieben, mit den elektrischen Anschlüssen 104, 106 des galvanischen Elements 100 leitfähig verbunden und über den Pluspol 104 und zusätzlich oder alternativ den Minuspol 106 mit dem Steuergerät 400 über eine elektrische Leitung verbunden. Durch den Anschluss des Sensors 102 an die elektrischen Anschlüsse 104, 106 des galvanischen Elements 100 kann die Innentemperatur und/oder der Innendruck des galvanischen Elements 100 unmittelbar erfasst werden.
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6 zeigt eine Darstellung eines Batteriesystems mit einem galvanischen Element 100 und einem Steuergerät 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das galvanische Element 100 einen akustischen Oberflächenwellensensor 102 auf, der innerhalb des galvanischen Elements 100 angeordnet ist. Der akustische Oberflächenwellensensor 102 ist über kapazitive Kopplungen mit den elektrischen Anschlüssen 104, 106 des galvanischen Elements verbunden. Abweichend von dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ist zwischen dem Pluspol 104 und dem Zwischenfingerwandler 110 sowie zwischen dem Minuspol 106 und dem Zwischenfingerwandler 110 je eine Kapazität 600 angeordnet. Die Kapazitäten 600 verhindern einen Stromfluss vom Minuspol 106 zum Pluspol 104 durch den Sensor 102. Impulse, wie die des Anforderungssignals an den Sensor 102 und eines Ausgangssignals des Sensors 102 können die Kapazitäten 600 passieren. So kann der Sensor 102 unmittelbar mit dem Steuergerät 400 verbunden sein. Ebenfalls kann der Sensor 102 drahtlos mit dem Steuergerät 400 verbunden sein, da die elektrischen Anschlüsse 104, 106 als Antennen fungieren können.
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In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein SAW-Sensor 102 mit Kapazitätsanschluss über eine anschließende Power Line Communication gezeigt. Ebenfalls ist eine drahtlose Variante möglich. Hierbei kann der SAW-Sensor 102 wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen in oder auf der Batterie-Zelle 100 angeordnet sein.
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Mit anderen Worten zeigen die 1 bis 6 Batterie-Zellen 100 mit integrierter SAW-Sensorik 102 zur Druck- und Temperaturmessung der Batterie-Zelle 100 über die integrierte SAW-Sensorik 102. Speziell im Anwendungsbereich von Batterien, bei der eine Einzelverkabelung von Sensoren zu hohen Kosten führen würde und z. B. drahtlos gelöst werden könnte kann eine SAW-Sensorik 102 angewandt werden. Ferner kann über die Einzel-Batterie-Zellen-Überwachung eine deutliche Performanzsteigerung der Batterie erzielt werden.
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Sind mehrere SAW-Sensoren 102 für die Überwachung einer oder mehrerer Batteriezellen 100 notwendig, so kann über eine Kennung in der Laufzeit der reflektierten Signale der SAW-Sensoren 102 eine Codierung vorgenommen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird in oder auf jeder Zelle 100 ein SAW-Sensor 102 zur Temperatur- und/oder Druckmessung platziert. Mehrere Ausführungsbeispiele sind möglich. Ist eine Batterie-Zelle 100 nicht vollständig metallisch verkapselt, kann die Messwertübertragung z. B. drahtlos durch die Zellenwand erfolgen. Wenn eine Batteriezelle 100 metallisch verkapselt ist, kann ein SAW-Sensor 102 an die Power-line, also Versorgungsleitung mit den Anschlüssen 104, 106 mit einer Antenne außerhalb der Batteriezelle 100 angebunden werden. Somit kann ein Ausgangsignal des Sensors 102 wieder drahtlos zum Steuergerät 400 übertragen werden, obwohl eine metallische Verkapslung vorhanden ist. Eine weitere Möglichkeit (siehe 4 und 5) kann eine direkte Anbindung des SAW-Sensors 102 durch die Power-line 104, 106 sein.
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Mit einem Sensor 102 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ist die Messung des Innendrucks in der Batteriezelle 100 einfach. Als Drucksensor kann der Sensor 102 mit Messleitungen innerhalb einer Zelle 102 platziert werden und dicht verschlossen werden. Der vorgeschlagene SAW-Drucksensor 102 ist unempfindlich gegenüber den aggressiven Bedingungen, z. B. Hochfrequenz-Strahlungen, in der (elektro-)chemischen Batterie-Zelle 100. Der SAW-Sensor 102 ist kostengünstig und technisch leicht realisierbar. Der Drucksensor 102 beansprucht in der Zelle 100 einen geringen Bauraum, wodurch eine Energiedichte der Zelle 100 nur geringfügig sinkt.
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Eine weitere Messmöglichkeit nutzt den Effekt, dass ein steigender Innendruck zu einem Aufblähen der Zelle 100 führt. D. h., der Innendruck der Zellen 100 wird dabei nicht direkt gemessen, sondern kann indirekt über die Verformung bzw. Geometrieänderung der Zellen 100 oder des Zellgehäuses gemessen werden. Der SAW-Sensor 102 kann hierfür auf die Oberfläche der Batterie-Zelle 100 platziert werden und kann dabei Druck und Temperatur von außen erfassen.
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Um die Performance der gesamten Batterie zu erhöhen, kann nicht nur jede einzelne Batterie-Zelle 100 individuell überwacht werden, sondern aufgrund von möglicher Fehlfunktion der überwachenden Sensorik 102 kann auch eine Redundanz der Messsignale sinnvoll sein. Hierbei können die vorgestellten Konzepte kombiniert werden, um eine Plausibilisierung zu erlangen. D. h., es kann sich anbieten, nicht nur einen SAW-Sensor 102 in der Batterie-Zelle 100 zu platzieren, sondern einen weiteren SAW-Sensor 102 auf deren Außenwand anzubringen. Ferner kann ebenfalls der möglicherweise ansteigende Innenwiderstand (Strom-, Spannungswerte) als Information zum Energiemanagement herangezogen werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009005228 A1 [0003]
