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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, die ein Batteriezellengehäuse und einen Batteriezellengehäusedeckel sowie eine Überwachungsschaltung umfasst, wobei die Überwachungsschaltung direkt auf das Batteriezellengehäuse aufgebracht ist.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Aus heutiger Sicht sehr vielversprechend ist dabei der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien beziehungsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen.
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Lithium-Ionen-Batteriezellen sind sehr empfindlich gegenüber einem Eindringen von Feuchtigkeit. Aufgrund der geforderten hohen Lebensdauern von oft über 10 Jahren werden Batteriezellen des Standes der Technik für den Einsatz in Fahrzeugen immer häufiger mit einem Batteriezellengehäuse versehen, welches aus einer robusten Hartschale besteht. Derartige Batteriezellengehäuse sind im Stand der Technik auch als sogenannte Hardcase-Gehäuse bekannt und weisen Wandstärken im Bereich von 0,4 mm bis 1,5 mm auf. Die Wandstärke ist dabei unter anderem abhängig von dem verwandten Material. Für die Realisierung der Batteriezellengehäuse des Standes der Technik ist insbesondere die Verwendung von Aluminium oder Edelstahl beliebt, wobei Edelstahlgehäuse tendenziell mit geringeren Wandstärken ausgeführt werden.
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Die Batteriezellengehäusedeckel, mit welchen die Batteriezellengehäuse der Batteriezellen verschließbar sind, weisen heutzutage meist eine Dicke im Bereich von 0,6 mm bis 2,0 mm auf. Im Stand der Technik werden der Batteriezellengehäusedeckel und das Batteriezellengehäuse im Verlauf des Fertigungsprozesses der Batteriezelle meist miteinander verschweißt.
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Um Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, sicher betreiben zu können, ist im Stand der Technik ein Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich. Das Batteriemanagementsystem verhindert unter anderem eine Überladung oder Tiefenentladung der Batteriezellen einer Batterie sowie eine Belastung der Batteriezellen mit unzulässig hohen Lade- oder Entladeströmen. Für Batterien, die in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, sind aufgrund der großen Anzahl an Batteriezellen, die in derartigen Batterien verbaut werden, komplexe Elektroniken für die Realisierung des Batteriemanagementsystems erforderlich.
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Für die Überwachung der Batteriezellen werden sogenannte CSC Elektronikmodule eingesetzt, bei welchen es sich um Überwachungsschaltungen handelt. Diese können einzelne, aber auch mehrere Batteriezellen einer Batterie überwachen. Dazu wird die Überwachungsschaltung entweder in der Nähe der zugehörigen Batteriezelle(n) als "dezentraler Satellit' platziert, oder die gesamte Elektronik der Überwachungsschaltung wird in einer "Zentralelektronik" realisiert, welche sich beispielsweise innerhalb eines zentralen Batteriesystemsteuergeräts des Batteriemanagementsystems befinden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche ein Batteriezellengehäuse, einen Batteriezellengehäusedeckel sowie zwei Batteriezellenterminals, über welche die Batteriezelle mit einem Batteriesystem verbindbar ist, umfasst. Des Weiteren umfasst die Batteriezelle eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, welche innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet und über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses mit jeweils einem Batteriezellenterminal verbunden sind. Ferner umfasst die Batteriezelle eine Überwachungsschaltung, welche dazu ausgelegt ist, mindestens eine Messgröße der Batteriezelle zu erfassen. Erfindungsgemäß ist die Überwachungsschaltung direkt auf das Batteriezellengehäuse aufgebracht.
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Durch eine derart ausgeführte Batteriezelle ist die Überwachungsschaltung sehr gut thermisch an das Batteriezellengehäuse gekoppelt, was eine sehr genaue und kostengünstige Erfassung der Temperatur der Batteriezelle über die Überwachungsschaltung ermöglicht. Ferner muss die Überwachungsschaltung in einer solchen Ausführung nicht separat mechanisch fixiert werden, da sie mechanisch robust mit dem Batteriezellengehäuse verbunden ist. Durch diese direkte Verbindung der Überwachungsschaltung mit der Batteriezelle können ferner die relevanten Daten über den Betrieb der Batteriezelle, welcher beispielsweise deren Alterung maßgeblich beeinflusst, durch die Überwachungsschaltung aufgezeichnet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Batteriezellengehäuse als Hartschalen-Gehäuse ausgeführt. Solche auch als Hardcase-Gehäuse bezeichneten Hartschalen-Gehäuse eignen sich besonders gut für den Einsatz in Fahrzeugen.
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Bevorzugt bestehen das Batteriezellengehäuse und/oder der Batteriezellengehäusedeckel aus Aluminium oder Edelstahl.
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Bevorzugt weist das Batteriezellengehäuse eine Wandstärke im Bereich von 0,4 mm bis 1,5 mm auf. Bevorzugt weist der Batteriezellengehäusedeckel eine Dicke im Bereich von 0,6 mm bis 2,0 mm auf.
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Vorzugsweise ist die Überwachungsschaltung als Flexible Printed Circuit Board ausgeführt. Der Vorteil solcher flexibler, gedruckter Schaltkreise liegt darin, dass bei Verwendung derselben geringe thermische Übergangswiderstände realisiert werden können. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, derartige Schaltkreise bei Anwendungen einzusetzen, bei denen elektronische Bauelemente mit großen Verlustleistungen zum Einsatz kommen. Ferner werden Flexible Printed Circuit Boards auch bei Anwendungen eingesetzt, bei denen die Leistungsfähigkeit der zur Realisierung dieser Anwendungen verwandten Bauelemente mit zunehmender Temperatur zurückgeht.
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Bevorzugt ist die Überwachungsschaltung auf einer Seitenwand des Batteriezellengehäuses aufgebracht. Durch eine solche Ausführungsform der Batteriezelle ist die Überwachungsschaltung thermisch besonders gut an die Batteriezelle gekoppelt.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform weist das Batteriezellengehäuse zwei kurze und zwei lange Seitenwände auf und ist die Überwachungsschaltung auf einer der beiden langen Seitenwände aufgebracht. Eine derartige Aufbringung der Überwachungsschaltung auf der Stirnseite des Batteriezellengehäuses eignet sich beispielsweise besonders gut bei Verwendung der erfindungsgemäßen Batteriezelle in einem luftgekühlten Batteriesystem, bei welchem die Batteriezellen also über einen Luftstrom gekühlt werden. Bei einem solchen Batteriesystem werden die Batteriezellen nicht direkt gegeneinander gepresst, sondern mittels Abstandhaltern innerhalb des Batteriesystems verbaut, damit der Luftstrom zwischen den Batteriezellengehäusen durchströmen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriezellengehäuse zwei kurze und zwei lange Seitenwände auf und ist die Überwachungsschaltung auf einer der beiden kurzen Seitenwände aufgebracht. Eine derartige seitliche Aufbringung der Überwachungsschaltung eignet sich insbesondere dann, wenn die Batteriezellen für den Einsatz in Batteriemodulen vorgesehen sind, in welchen die Batteriezellen über die großflächige Stirnseite miteinander in einem Pressverband verbaut werden. Derartige Batteriemodule werden insbesondere dann eingesetzt, wenn die Batteriezellen zur Erhöhung ihrer Lebensdauer durch mechanische Verspannung daran gehindert werden sollen, sich mechanisch bei Lade- und Entladevorgängen auszudehnen.
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Bevorzugt ist die beanspruchte Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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Ferner wird eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.
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Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Architektur eines Batteriesystems mit Batteriezellen und Überwachungsschaltungen des Standes der Technik,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Architektur eines Batteriesystems 70 mit Batteriezellen 50 und Überwachungsschaltungen 40 des Standes der Technik gezeigt. Dieses Batteriesystem 70 weist einen Batteriestrang 60 auf, der eine Vielzahl an in Reihe geschalteten Batteriezellen 50 umfasst, von denen in 1 fünf dargestellt sind, während eine nicht weiter definierte Anzahl an Batteriezellen 50 durch Punktlinien angedeutet ist. Innerhalb des Batteriestrangs 60 ist jeweils eine vorbestimmte, in der 1 nicht weiter definierte Anzahl an Batteriezellen 50 zu jeweils einem Batteriemodul 55 zusammengefasst. Von diesen Batteriemodulen 55 ist in 1 lediglich eines dargestellt. In dem in 1 gezeigten Beispiel einer Architektur eines Batteriesystems 70 des Standes der Technik ist den jeweils innerhalb eines Batteriemoduls 55 enthaltenden Batteriezellen 50 eine Überwachungsschaltung 40 zugeordnet. Mit der zugeordneten Überwachungsschaltung 40 eines Batteriemoduls 55 können von jeder einzelnen Batteriezelle 50 innerhalb des jeweiligen Batteriemoduls 55 die Spannung und von mehreren Batteriezellen 50 des Batteriemoduls 55 die Temperatur gemessen werden. In anderen Architekturen von Batteriesystemen 70 des Standes der Technik ist jeweils einer Batteriezelle 50 eine Überwachungsschaltung 40 zugeordnet, die dazu ausgelegt ist, Messgrößen dieser Batteriezelle 50, wie beispielsweise die Temperatur oder die Spannung der Batteriezelle 50, zu erfassen. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die einzelnen Überwachungsschaltungen 40 in Serie miteinander verschaltet und ermöglichen des Weiteren die zellglobale Ausbalancierung der Ladung der einzelnen Batteriezellen 50. Die unterste der Überwachungsschaltungen 40 ist mit einem innerhalb des Batteriesystems 70 angeordneten Batteriesystemsteuergerät 65 verbunden. Dieses vermag nicht nur die einzelnen Überwachungsschaltungen 40 zu steuern, sondern kontrolliert ebenfalls weitere Schaltungseinheiten innerhalb des Batteriesystems 70, wie beispielsweise die Relais einer Lade- und Trenneinrichtung 63 oder die Messung des Stromflusses durch den Batteriestrang 60 und bildet zusammen mit den Überwachungsschaltungen 40 ein Batteriemanagementsystem.
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Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50. Die Batteriezelle 50 umfasst ein Batteriezellengehäuse 30, einen Batteriezellengehäusedeckel 28, zwei Batteriezellenterminals 11 und 12, über welche die Batteriezelle 50 mit einem Batteriesystem verbindbar ist, sowie eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, welche innerhalb des Batteriezellengehäuses 30 angeordnet und über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses 30 mit jeweils einem Batteriezellenterminal 11, 12 verbunden sind (nicht dargestellt). Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Batteriezelle 50 eine Überwachungsschaltung 40, welche in diesem ersten Ausführungsbeispiel dazu ausgelegt ist, die Temperatur und die Spannung zwischen den Batteriezellenterminals 11, 12 der Batteriezelle 50 zu erfassen und welche direkt auf das Batteriezellengehäuse 30 aufgebracht ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Überwachungsschaltung 40 direkt auf einer Außenseite des Batteriezellengehäuses 30 beziehungsweise von außen auf eine Außenwand des Batteriezellengehäuses 30 aufgebracht. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist das Batteriezellengehäuse 30 rein beispielhaft als Hartschalen-Gehäuse, also als Hardcase beziehungsweise als Hardcase-Gehäuse ausgeführt. Das Hartschalen-Gehäuse besteht in diesem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50 der 2 rein beispielhaft aus Aluminium und weist rein beispielhaft eine Wandstärke von 0,8 mm auf. Auch der Batteriezellengehäusedeckel 28 besteht in diesem ersten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft aus Aluminium und weist eine Dicke von rein beispielhaft ebenfalls 0,8 mm auf. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist der Batteriezellengehäusedeckel 28 mit dem Batteriezellengehäuse 30 rein beispielhaft über eine umlaufende Laserschweißnaht 29 verbunden. Dadurch ist die Batteriezelle 50 abgedichtet und das Batteriezellengehäuse 30 ist elektrisch mit dem Batteriezellengehäusedeckel 28 verbunden.
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Ferner ist die Überwachungsschaltung 40 in diesem ersten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft als Flexible Printed Circuit Board ausgeführt. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Überwachungsschaltung 40 in diesem ersten Ausführungsbeispiel als flexibler, gedruckter Schaltkreis ausgeführt. Dafür wurde in diesem ersten Ausführungsbeispiel PEN, also ein Polymermaterial, als flexibles Substrat über ein drucksensitives Klebemittel auf das Aluminium des Batteriezellengehäuses 30, welches in diesem ersten Ausführungsbeispiel als Metallsubstrat dient, aufgebracht. Sowohl die Verwendung von PEN als flexibles Substrat als auch von Aluminium als Metallsubstrat ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Es können beispielsweise auch andere Polymermaterialien, beispielsweise PET oder PI als flexible Substrate verwendet werden. Auch können andere Metallsubstrate für die Erzeugung eines Flexible Printed Circuit Boards (FPCB) herangezogen werden.
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In diesem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50 ist die Überwachungsschaltung 40 auf einer Seitenwand des Batteriezellengehäuses 30 aufgebracht. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Überwachungsschaltung 40 in diesem ersten Ausführungsbeispiel auf einer Außenwand des Batteriezellengehäuses 30 aufgebracht, welche nicht der Bodenplatte des Batteriezellengehäuses 30 entspricht. Das Batteriezellengehäuse 30 weist in diesem ersten Ausführungsbeispiel zwei kurze und zwei lange Seitenwände auf, wobei die beiden langen Seitenwände länger sind als die beiden kurzen Seitenwände.
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Die Überwachungsschaltung 40 ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel der 2 auf der, vom Betrachter aus gesehen, vorderen der beiden langen Seitenwände, oberhalb des Flächenmittelpunktes dieser langen Seitenwand des Batteriezellengehäuses 30 aufgebracht. Die Überwachungsschaltung 40 liegt also mittig auf einer Außenseite einer der beiden langen Seitenwände des Batteriezellengehäuses 30.
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Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich in der Position der Überwachungsschaltung 40 auf dem Batteriezellengehäuse 30 von dem ersten Ausführungsbeispiel der 2. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50 ist die Überwachungsschaltung 40, anders als im ersten Ausführungsbeispiel, mittig auf einer der beiden kurzen Seitenwände des Batteriezellengehäuses 30 aufgebracht. Die Überwachungsschaltung 40 liegt im zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50 also auf einer Außenseite einer der beiden kurzen Seitenwände des Batteriezellengehäuses 30.
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In allen oben dargestellten Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Batteriezellen 50 ist sowohl die Wahl des Materials als auch die Wahl der Wandstärke beziehungsweise der Dicke für die Realisierung des Batteriezellengehäuses 30 beziehungsweise des Batteriezellengehäusedeckels 28 rein beispielhaft gewählt. Es können auch erfindungsgemäße Batteriezellen 50 realisiert werden, in denen das Batteriezellengehäuse 30 und/oder der Batteriezellengehäusedeckel 28 aus einem anderen Material, beispielsweise aus Edelstahl bestehen. Für das Batteriezellengehäuse 30 und den Batteriezellengehäusedeckel 28 können auch unterschiedliche Materialien gewählt werden. Ferner kann auch die Wandstärke des Batteriezellengehäuses 30 beziehungsweise die Dicke des Batteriezellengehäusedeckels 28 in erfindungsgemäßen Batteriezellen 50 anders als in den oben dargestellten Ausführungsbeispielen gewählt sein.
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Des Weiteren können auch erfindungsgemäße Batteriezellen 50 realisiert sein, in welchen die Überwachungsschaltungen 40 auch zur Erfassung weiterer und/oder anderer Messgrößen als den oben erwähnten, beispielsweise zur Erfassung des Batteriezellstroms oder des Innenwiderstandes der Batteriezelle 50 in der Lage sind. Des Weiteren kann das Batteriezellengehäuse 30 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50 auch eine andere Form aufweisen und die Überwachungsschaltung 40 auch an anderer Stelle auf der Außenwand des Batteriezellengehäuses 30 aufgebracht sein. Zum Beispiel muss das Batteriezellengehäuse 30 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 50 nicht zwei lange und zwei kurze Seitenwände aufweisen. Es können rein beispielhaft auch erfindungsgemäße Batteriezellen 50 realisiert sein, in denen das Batteriezellengehäuse 30 eine runde Form hat.
