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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Batteriezelle mit einer verbesserten Steuerbarkeit.
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Stand der Technik
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Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
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Lithium-Ionen-Batterien, welche etwa in Fahrzeuganwendungen zum Einsatz kommen, weisen oftmals aufgrund des Volumennutzwertes eine prismatische Form auf. Im Inneren des Gehäuses befindet sich dann ein flach gepresster Wickel, der entsprechende Elektrodenfolien aufweisen kann. Ferner sind oftmals Sensoren vorgesehen, welche den Betrieb der Batteriezelle überwachen sollen.
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Aus dem Dokument
US 2005/0255381 A1 ist eine Batterie bekannt, welche ein Zellgehäuse aufweist. Um beispielsweise ein Austreten von Elektrolyt zu detektieren, sind an einem Gehäusebauteil Sensoren vorgesehen. Darüber hinaus ist eine durch einen PCB-Prozess hergestellte Kontrollschicht vorgesehen, um die Batterie zu steuern. Diese ist dabei außerhalb von metallischen Lagen vorgesehen und damit im Wesentlichen außerhalb des Gehäuses.
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Aus dem Dokument
DE 2012 209 397 A1 ist ferner eine Batteriezelle mit einem drucksensitiven Foliensensor bekannt. Der vorliegende Foliensensor ist dabei als Drucksensor ausgelegt und als ein um einen Elektrodenwickel umlaufendes Band ausgelegt. Darüber hinaus kann ein Elektrodenanschluss der Batteriezelle als Signalleitung für den Sensor dienen und so die Übertragung der Signale an ein Batterie-Management-System erlauben.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Batteriezelle, aufweisend ein Zellgehäuse, welches Zellgehäuse einen Zellraum zum Aufnehmen einer elektrochemischen Zelleinheit begrenzt, wobei die in dem Zellgehäuse angeordnete Zelleinheit als Zellstapel ausgestaltet ist. Dabei ist im Inneren des Zellstapels eine Steuereinheit vorgesehen, die eine Detektionseinheit zum Detektieren von Zustandsgrößen der Batteriezelle und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der detektierten Zustandsgrößen aufweist.
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Eine vorbeschriebene Batteriezelle erlaubt eine verbesserte Steuerbarkeit und damit ein besonders effektives und sicheres Arbeiten der Batteriezelle. Die vorbeschriebene Batteriezelle erlaubt insbesondere auf kostengünstige sowie einfach zu fertigende Weise eine Überwachungselektronik bereitzustellen, die zellinterne Zustandsgrößen aufnimmt und darüber hinaus diese Informationen selbstständig verarbeiten beziehungsweise weiter bearbeiten und auswerten kann.
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Eine Batterie kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Primärbatterie oder in vorteilhafter Weise eine Sekundärbatterie, wie insbesondere ein wieder aufladbarer Akkumulator, sein. Beispielsweise kann eine Batterie eine lithiumbasierte Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie beziehungsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, sein. Somit kann eine Batteriezelle entsprechend beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle sein, muss jedoch nicht hierauf beschränkt sein.
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Eine derartige Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf. Das Zellgehäuse kann beispielsweise aus einem Metall ausgestaltet sein und somit eine hohe Stabilität aufweisen. Alternativ kann das Zellgehäuse aus einem Kunststoff ausgestaltet sein und dabei etwa eine flexible beispielsweise folienartige Ausgestaltung aufweisen und etwa eine so genannte Pouch-Zelle ausbilden.
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Das Zellgehäuse begrenzt dabei einen Zellraum zum Aufnehmen einer elektrochemischen Zelleinheit, in welchem Zellraum eine oder eine Mehrzahl von Zelleinheiten angeordnet ist. Dabei kann nur eine Zelleinheit vorgesehen sein oder in vorteilhafter Weise kann eine Mehrzahl an Zelleinheiten vorgesehen sein. Die eine oder die Mehrzahl an Zelleinheiten können dabei in einer prismatischen Form ausgestaltet sein. In diesem Fall kann sich in dem Inneren des Gehäuses ein Zellstapel befinden. Dieser bildet insbesondere eine Anordnung übereinander gelegter und damit gestapelter Einheiten an Elektroden und Separator aus. Beispielsweise kann der Zellstapel ein auch als Wicklungselement bezeichneter flach gepresster Wickel sein oder eine gefaltete Anordnung, die beispielsweise eine Aluminiumfolie und eine Kupferfolie aufweisen, welche mit reaktiven Kathodenmaterialien beziehungsweise Anodenmaterialien beschichtet sind. Weiterhin können zwei etwa als Diaphragmen ausgestaltete Kunststofffolien vorgesehen sein, welche die Anode und die Kathode trennen. Grundsätzlich kann unter einer Zelleinheit eine Anordnung aufweisend eine Kathode, eine Anode und einen Separator verstanden werden. Insbesondere durch das Vorsehen eines Zellstapels, wie etwa eines Wicklungselements oder eines Faltelements, kann das in dem Zellgehäuse vorliegende Volumen optimal ausgenutzt werden und somit eine hohe volumenspezifische Kapazität erzielt werden.
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Um ein elektrisches Kontaktieren der Kathode beziehungsweise der Anode der Zelleinheit beziehungsweise des Zellstapels wie beispielsweise des als Folienwickel ausgestalteten Wicklungselements zu realisieren, können beispielsweise die beiden als Kathode beziehungsweise als Anode ausgestalteten Folien nicht passgenau aneinander gelegt werden, sondern beispielsweise in Richtung der Wickelachse leicht versetzt werden. Dadurch lässt sich an einer offenen Schmalseite des Zellstapels die negative Spannung, an der anderen, gegenüberliegenden Schmalseite, die positive Spannung der jeweiligen Folie beziehungsweise Elektrode abgreifen. Somit umfasst die Zelleinheit zwei entgegengesetzt polbare Anschlüsse, die etwa als Kontaktfahnen ausgestaltet sein können. Die Kontaktierung kann beispielsweise mit den so genannten Stromkollektoren beziehungsweise Stromabnehmern realisiert werden. Diese können beispielsweise und nicht beschränkend als überstehende Folienstreifen mit angeschweißten streifenförmigen Blechstreifen, etwa aus den entsprechenden Folienmaterialien, ausgestaltet sein. Dabei kann die Zelleinheit beziehungsweise können die Zelleinheiten durch die Stromkollektoren wiederum mit einem externen elektrischen Kontakt, wie etwa einem Anschlussbolzen, verbunden sein.
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Das Zellgehäuse kann beispielsweise einen Gehäusegrundkörper aufweisen. Der Gehäusegrundkörper kann beispielsweise wannenartig ausgestaltet sein und dabei beispielsweise einen Wandbereich und einen Bodenbereich aufweisen. Dabei kann der Gehäusegrundkörper einstückig oder mehrstückig ausgestaltet sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Unabhängig von der konkreten Form des Gehäusegrundkörpers kann dieser eine Gehäuseöffnung aufweisen, die durch einen Gehäusedeckel verschließbar ist. Dadurch kann ein besonders einfaches Herstellen der Batteriezelle ermöglicht werden, da die aktiven Batteriekomponenten wie etwa die Zelleinheit auf einfache Weise in das Zellgehäuse beziehungsweise den Gehäusegrundkörper eingefügt werden können, woraufhin das Zellgehäuse durch Befestigen des Gehäusedeckels an der Gehäuseöffnung beziehungsweise an dem Gehäusegrundkörper verschlossen werden kann.
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Bei einem Herstellen einer derartigen Batteriezelle kann das Zellgehäuse nach dem Einbringen der Zelleinheit und insbesondere nach einem Verschließen des Gehäusegrundkörpers, mit dem Gehäusedeckel mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt werden. Dies kann etwa durch eine verschließbare Öffnung realisierbar sein, die lediglich eine Größe in einem Bereich von kleiner als 10mm, beispielsweise 5mm oder weniger, zu haben braucht, und durch ein geeignetes Verschlusselement verschlossen werden kann.
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Und um den sicheren Betrieb der Batteriezelle unter allen Transport- und Betriebsbedingungen in der jeweiligen Anwendung zu gewährleisten, sind verschiedene Maßnahmen von Vorteil beziehungsweise erforderlich. So kann beispielsweise der mechanische Aufbau der Zelle diese vor Sondersituationen, wie Stößen, Schock und Nagelpenetration schützen.
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Darüber hinaus ist es bei der vorliegenden Batteriezelle vorgesehen, dass eine Überwachungselektronik vorgesehen ist, die den elektrischen Zustand der Zelle anhand ihrer Zustandsgrößen überwachen kann, so dass diese in ihrem gewollten Betriebsbereich arbeitet, beispielsweise in einem gewünschten Temperaturbereich. Die vorgenannten Maßnahmen können dabei sicher verhindern, dass sich durch äußere Einwirkungen oder innere Veränderungen ein Kurzschluss im Inneren der Zelle bildet und insbesondere in der Folge ein thermisches Durchgehen entwickelt.
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Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist es vorgesehen, dass im Inneren des Zellstapels eine Steuereinheit vorgesehen ist, die eine Detektionseinheit zum Detektieren von Zustandsgrößen der Batteriezelle und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der detektierten Zustandsgrößen aufweist. In anderen Worten ist es somit vorgesehen, dass im Inneren der Zelle, also insbesondere in einem Raum, der von dem Zellstapel umgeben ist beziehungsweise im Inneren des Zellstapels, sowohl eine oder mehrere Detektionseinheiten vorgesehen sind, und gleichzeitig ebenfalls im Inneren der Zelle eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten vorgesehen sind. Die Detektionseinheit kann dabei insbesondere eine Sensoreinheit sein welche eine oder mehrere Zustandsgrößen messen kann. Die Zustandsgröße sind dabei insbesondere Größen beziehungsweise Betriebsberater der Batterie beziehungsweise der Batteriezelle, wie etwa Temperatur oder ähnliches. Die Verarbeitungseinheit kann ferner eine Einheit sein, welche die von der Detektionseinheit ermittelten Daten empfängt und verarbeitet beziehungsweise auswertet. Somit kann die Verarbeitungseinheit beispielsweise als Auswerteschaltung ausgestaltet sein.
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Somit können durch die Steuereinheit Überwachungsfunktionen, wie beispielsweise Schwellwertüberwachungen, realisiert werden und ferner die Ergebnisgrößen für die weitere Nutzung innerhalb oder außerhalb der Zelle bereitgestellt werden, so dass die Batteriezelle durch die im Inneren des Zellstapels angeordnete Steuereinheit steuerbar ist.
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Diese Ausgestaltung einer Batteriezelle erlaubt eine Mehrzahl an der signifikanten Vorteilen gegenüber den Ausbildungen aus dem Stand der Technik.
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Durch die vorbeschriebene Batteriezelle wird es somit möglich, jede Batteriezelle unabhängig von weiteren vorliegenden Batteriezellen zu überwachen und damit die Betriebssicherheit noch weiter zu verbessern. Es kann somit auf negative Beeinflussungen jeder der Zellen unmittelbar reagiert werden. Darüber hinaus tritt das Problem nicht mehr auf, wonach gemäß dem Stand der Technik aus Kostengründen und/oder Platzgründen einzelne physikalische Größen nur an bestimmten Stellen gemessen werden, jedoch nicht zwingend für jede der vorgesehenen Batteriezellen. Somit bieten sich Vorteile insbesondere gegenüber einer Ausgestaltung, bei welcher sich die Überwachungselektronik beziehungsweise die Auswärtselektronik, außerhalb der Zelle befindet, beispielsweise auf Modulebene, und mit Sensorinformationen von Sensoren gespeist werden, die außen am Zellgehäuse Messwerte aufnehmen können.
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Eine Überwachung der Betriebsparameter der Batteriezelle im Inneren des Zellstapels und somit im Inneren der Zelle kann eine interne Überwachung einzelner Zellen unabhängig voneinander ermöglichen und damit noch sicherer machen. Somit kann der Ausfall eines gesamten elektrischen Systems vermieden werden beispielsweise für den Fall, dass nur eine oder wenige Batteriezellen einen Fehler aufweisen, da die einzelnen Batteriezellen unabhängig voneinander überwacht und einzeln außer Betrieb gesetzt werden können. Bei der nicht beschränkenden Anwendung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann somit ein Liegenbleiben des Fahrzeugs bei einem Fehlerfall nur einer oder weniger Batteriezellen vermieden werden.
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Die Überwachung der Batteriezelle kann dabei beispielsweise im Sinne von Schwellenwertüberwachung oder Fehlererkennung ausgeführt werden. Bei einem Fehlerfall oder bei einem Vorliegen von einem oder mehreren Parametern außerhalb des Schwellenwertes kann dann eine Aktuatorik angesteuert werden, um so beispielsweise einen Stromfluss durch die Zelle, etwa unter Verwendung von Leistungselektronik, zu unterbrechen. Dabei kann die Aktuatorik innerhalb oder außerhalb der Batteriezelle angeordnet sein und/oder durch Ansteuern übergeordneter Komponenten, wie etwa des Batterie-Management-Systems, bei erkennen kritischer Zellzustände geeignete Gegenmaßnahmen einleiten. Dabei können für eine externe Datenkommunikation beispielsweise elektrische Kontakte, wie etwa Kontaktfahnen, Powerline-Kommunikation oder drahtlose Verbindungen, wie etwa aus dem Gebiet der RFID bekannt, verwendet werden.
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Darüber hinaus ist es ein Vorteil, dass diese Strukturen in der Mitte beziehungsweise im Zentrum des Zellstapels platziert sind und somit die entsprechenden Messwerte im Inneren der Zelle erfasst und unmittelbar weiter verarbeitet werden können. Denn auf diese Weise können die entsprechenden Messwerte unmittelbar am Ort der relevanten chemisch-physikalischen Vorgänge und somit ohne zeitliche Verzögerung durch Transportvorgänge erfasst werden. Darüber hinaus ist der Raumbedarf sowohl für die Ausführung der Sensorik als auch für die Signalverarbeitung minimal, was einen Einbau in bestehende Systeme problemlos ermöglichen kann.
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Weiterhin kann auf diese Weise durch das Vorsehen einer Detektionseinheit und einer Verarbeitungseinheit, welche getrennte oder eine zusammenhängende Einheit sein können, eine autarke Steuerung der Batteriezelle ermöglicht werden insbesondere für den Fall, dass auch die Aktuatorik vollständig im Inneren des Zellgehäuses angeordnet ist und eine Energieversorgung für die entsprechenden Einheiten, soweit notwendig, sichergestellt ist.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei ein Träger vorgesehen sein, auf dem die entsprechenden elektronischen Bauteile der Steuereinheit angeordnet sind, also die Detektionseinheit und die Verarbeitungseinheit. Dabei kann in Abhängigkeit der gewünschten Anwendung der gesamte nutzbare Bereich im Inneren des Zellstapels sensorisch abgedeckt sein, oder die elektronischen Komponenten, insbesondere der oder die Sensoren, können räumlich begrenzt in einem beliebigen Teilbereich angeordnet sein.
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Weiterhin kann es problemlos an das gewünschte Anwendungsgebiet angepasst werden, inwieweit die Elektronikeinheiten in dem Zellgehäuse verteilt sind. So kann bei dem Vorliegen einer Mehrzahl an Zellstapeln beispielsweise jeder der Zellstapel mit einer entsprechenden Detektionseinheit beziehungsweise Verarbeitungseinheit versehen werden, oder nur eine gewünschte Anzahl an Zellstapeln kann entsprechend ausgestattet sein.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass eine entsprechende Aktuatorik, etwa zum Unterbrechen des Stromflusses, zum Anschalten einer Kühlung oder Ähnliches einer Steuereinheit oder einer Batteriezelle zugeordnet ist, um so entsprechende Sicherheitsmaßnahmen einleiten zu können, für den Fall, dass die Notwendigkeit hierfür von der Verarbeitungseinheit ermittelt wird und dies an die Aktuatorik weitergeleitet wird. Alternativ können mehrere Zellen mit Zellüberwachung wie vorstehend erläutert nur jeweils eine Aktuatorik für eine entsprechende Sicherheitsmaßnahme nutzen, die für alle diese Zellen gemeinsam die Umsetzung der Sicherheitsmaßnahmen übernehmen kann.
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Zusammenfassend erlaubt die vorbeschriebene Batteriezelle somit, auf kostengünstige und einfache Weise die Betriebssicherheit einer Batteriezelle durch ein effektives Steuern der Batteriezelle zu ermöglichen.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die Steuereinheit als ein mit leitfähigen Funktionsstrukturen versehener Träger ausgestaltet sein, wobei die Funktionsstrukturen die Detektionseinheit und die Verarbeitungseinheit ausbilden. Beispielsweise kann die Steuereinheit somit ausgestaltet werden, wie es beispielsweise für Leiterplatten aus anderen technischen Gebieten dem Fachmann an sich bekannt ist. Insbesondere kann die Steuereinheit eine elektrisch isolierende Folie aufweisen, auf welcher als elektrisch leitfähige Strukturen die Detektionseinheit und die Verarbeitungseinheit aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt, sind. Diese Technik ist beispielsweise bekannt zur Erzeugung von leitfähigen Strukturen etwa bei flexiblen Display oder Touch Screens und dabei technisch ausgereift und somit problemlos anwendbar. Somit kann durch ein einfaches Verfahren die Sensorfunktion beziehungsweise die Signalverarbeitung auf einen Träger aufgebracht werden, wie dies grundsätzlich für andere Anwendungsgebiete bekannt ist. Beispielsweise kann für eine Berührungserkennung eine Gitterstruktur aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt, werden. In dieser Ausgestaltung kann auf besonders einfache und kostengünstige Weise sowohl eine Sensorfunktion wie auch eine Auswertefunktion auf einen Träger aufgebracht werden, wobei die gesamte elektronische Anordnung einen sehr geringen Platzbedarf aufweist und somit problemlos in das Innere einer Batteriezelle, wie beispielsweise in den von einem Zellstapel umgebenen Raum, eingebracht werden kann.
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Dabei ist insbesondere ein folienartiger Träger von Vorteil, da dieser sich besonders vorteilhaft in einen Zellstapel integrieren lässt.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Detektionseinheit wenigstens einen Sensor aufweisen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Drucksensor, einem Temperatursensor, einem Beschleunigungssensor und einem Kraftsensor. Insbesondere die vorgenannten Sensoren können ein Steuern der Batteriezelle besonders vorteilhaft ermöglichen, da die mit den vorgenannten Sensoren ermittelbaren Daten besonders gut dazu geeignet sind, einen Fehlerfall zu erkennen und somit die Betriebssicherheit der Batteriezelle aufrechterhalten zu können. So kann beispielsweise die Temperatur oder der Druck ein fehlerhaftes Betreiben der Batteriezelle anzeigen und eine Beschleunigung oder eine Kraft einen Hinweis auf eine mechanische Beeinflussung liefern. Dabei können die entsprechenden Sensoren grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt ausgestaltet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuereinheit eine Mehrzahl an verschiedenartigen Detektionseinheiten aufweisen. Dabei kann unter verschiedenartigen Detektionseinheiten insbesondere verstanden werden, dass die Detektionseinheiten unterschiedliche Parameter beziehungsweise Zellgrößen messen. Insbesondere diese Ausgestaltung kann es ermöglicht werden, dass nicht nur einzelne Parameter innerhalb der Batteriezelle überwacht werden, sondern ein möglichst umfassendes Überwachen der Batteriezelle ermöglicht werden kann. Beispielsweise kann von jedem der vorgenannten Detektionseinheiten wenigstens eine Detektionseinheit im Inneren des Zellstapels vorgesehen sein. Alternativ können ausgewählte beispielsweise der vorgenannten Detektionseinheiten im Inneren des Zellewechsels angeordnet sein. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann die Betriebssicherheit der Batteriezelle besonders hoch sein, wobei aufgrund der Anordnung im Inneren der Zelle kein signifikant vergrößerter Platzbedarf notwendig wird. Somit kann insbesondere diese Ausgestaltung verglichen zu den Lösungen aus dem Stand der Technik bei raumsparender und kostengünstiger Ausgestaltung eine breite Überwachung der Batteriezelle ermöglichen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuereinheit eine Mehrzahl an räumlich verteilten gleichartigen Detektionseinheiten aufweisen. Dabei kann unter gleichartigen Detektionseinheiten insbesondere verstanden werden, dass die Detektionseinheiten die gleichen Parameter beziehungsweise Zellgrößen messen. In dieser Ausgestaltung kann somit die räumliche Verteilung einzelner Messwerte zur Zustandserkennung beziehungsweise Fehlererkennung herangezogen werden. Beispielsweise kann als nicht beschränkendes Beispiel die Homogenität der Temperatur im Inneren der Zelle erfasst werden. Insbesondere durch eine derartige Ausgestaltung können Fehlerfälle besonders sicher ermittelt oder ausgeschlossen werden und/oder kann auf die Art eines Fehlers geschlossen werden, was gegebenenfalls Gegenmaßnahmen vor dem Auftreten eines kritischen Zustands der Batteriezelle ermöglichen kann. Darüber hinaus können durch ein Verwenden der Inhomogenität der entsprechenden Messwerte für eine Zustandserkennung der Zelle die Anforderungen an die Auflösung eines einzelnen Messelements reduziert werden, da im wesentlichen die Differenzen der Messwerte von Wichtigkeit ist.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuereinheit eine Schutzbeschichtung aufweisen. Insbesondere in dieser Ausgestaltung können somit insbesondere die einzelnen elektrischen beziehungsweise elektronischen Strukturen vor den im Inneren einer Zelle vorliegenden Bedingungen beziehungsweise der dort herrschenden Atmosphäre auch bei einer langen Betriebsdauer der Batteriezelle sicher geschützt werden. Beispielsweise kann durch eine Schutzbeschichtung, wie beispielsweise eine Kunststoffbeschichtung, verhindert werden, dass der Elektrolyt mit den elektrisch leitenden Strukturen in Kontakt kommt und diese somit negativ beeinflussen kann. Somit kann diese Ausgestaltung die Gefahr eines Ausfalls eines Sensors oder einer Auswerteeinheit signifikant reduzieren und die Betriebssicherheit und die Langlebigkeit der Batteriezelle somit weiter steigern.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuereinheit eine Speichereinheit aufweisen. Insbesondere durch das Vorsehen einer Speichereinheit beziehungsweise von Speicherelementen können zellbezogene Messgrößen nicht nur gemessen und ausgewertet sondern weiterhin auch gespeichert und gegebenenfalls mit weiteren Messwerten verglichen werden. Dadurch kann ein Abweichen eines entsprechenden Messwertes sicher detektiert werden, wie beispielsweise eine Drift eines Messwertes. Dadurch kann bei kostengünstiger Herstellbarkeit die Betriebssicherheit noch weiter verbessert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können Daten einer außerhalb der Batteriezelle angeordneten Detektionseinheit an die Steuereinheit übermittelbar sein. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit beziehungsweise die Auswerteeinheit mit Messgrößen versorgt werden, die nicht unmittelbar im Inneren der Batteriezelle erfasst werden, sondern beispielsweise außerhalb der Batteriezelle ermittelt werden und/oder externe Messwerte umfassen, wie beispielsweise Strom- beziehungsweise Spannungswerte. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann somit durch die Auswerteeinheit eine umfassende Überwachung und Steuerung der Batteriezelle ermöglicht werden, so dass die Gesamtüberwachung und Zustandsprognose, wie beispielsweise umfassend Alterungszustand (state of health, SOH), Ladezustand (state of charge, SOC) oder Datensicherung (Cell data recording), auf der Zellebene abgebildet beziehungsweise ausgeführt werden können. Dabei kann die Verarbeitungseinheit beziehungsweise die Auswerteeinheit unmittelbar mit einem außerhalb der Batteriezelle angeordneten Sensor verbunden sein, oder sie kann mit einer weiteren außerhalb der Batteriezelle vorgesehenen Steuereinheit, wie beispielsweise dem Batterie-Management-System verbunden sein und damit mittelbar mit dem entsprechenden Sensor verbunden sein, da die Messdaten des Sensors durch die Steuereinheit weitergegeben werden können.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Steuereinheit durch eine Steuerleitung mit einem Aktuator verbunden sein. Insbesondere diese Ausgestaltung kann ein unmittelbares Reagieren auf einen Fehlerfall beziehungsweise auf sich außerhalb eines Schwellenwertes befindliche Daten der Batteriezelle ermöglichen. Darüber hinaus kann beispielsweise dann, wenn der Aktuator sich ebenfalls innerhalb der Batteriezelle befindet, ein sicheres Reagieren auch dann gewährleistet sein, wenn beispielsweise die Umgebung der Batteriezelle durch eine äußere Krafteinwirkung beschädigt ist. Beispielsweise kann selbst dann, wenn die Batteriezelle von anderen Batteriezellen des Moduls beispielsweise durch eine Krafteinwirkung abgetrennt wird, die Batteriezelle noch sicher gesteuert beziehungsweise abgeschaltet werden, da alle hierfür notwendigen Komponenten sich innerhalb der Batteriezelle beziehungsweise innerhalb des Zellgehäuses befinden können. Somit kann unter einem Aktuator beispielsweise eine Ansteuerung für eine Stromunterbrechung oder für eine Kühlung verstanden werden.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der vorbeschriebenen Batteriezelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Batteriemodul, aufweisend wenigstens eine Batteriezelle, wie diese vorstehend im Detail beschrieben ist.
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Ein derartiges Batteriemodul weist insbesondere den Vorteil auf, dass die einzelnen Batteriezellen des Batteriemoduls einzeln überwacht und gesteuert werden können. Daraus resultierend ergibt sich eine besonders hohe Betriebssicherheit des Batteriemoduls. Darüber hinaus erlaubt ein derartiges Batteriemodul, bei einem Fehlerfall beziehungsweise bei einer nicht gewünschten Betriebsweise einer oder mancher Batteriezellen, dass das Batteriemodul grundsätzlich weiter betrieben wird, wobei nur einige beziehungsweise die nicht wie gewünscht arbeitenden Batteriezellen ausgeschaltet werden. Somit kann die Gefahr des Notwendigwerdens eines kompletten Ausschaltens eines elektrischen Geräts signifikant reduziert werden.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Batteriemoduls wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der vorbeschriebenen Batteriezelle, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 eine schematische Schnittansicht einer Ausgestaltung einer Batteriezelle; und
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2 eine schematische Seitenansicht einer Ausgestaltung einer Batteriezelle.
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In der 1 ist schematisch eine Batteriezelle 10 beziehungsweise ein Teil derselben gezeigt. Die Batteriezelle 10 kann dabei zusammen mit anderen gleichen oder unterschiedlichen Batteriezellen Bestandteil eines Batteriemoduls beziehungsweise Zellmoduls sein.
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Die Batteriezelle 10 umfasst ein nicht gezeigtes Zellgehäuse, welches Zellgehäuse einen Zellraum zum Aufnehmen einer elektrochemischen Zelleinheit 12 begrenzt. In 1 ist dabei gezeigt, dass die Zelleinheit 12 als Wicklungselement als Form eines Zellstapels ausgestaltet ist, wobei die folgende Beschreibung beziehungsweise die beschriebenen Merkmale gleichermaßen für jede Form eines Zellstapels als offenbart gelten. Um ein verbessertes Steuern der Batteriezelle 10 zu ermöglichen, ist im Inneren der Zelleinheit 12 beziehungsweise des Wicklungselements eine Steuereinheit 14 vorgesehen. Die Steuereinheit 14 umfasst dabei eine Detektionseinheit zum Detektieren von Zustandsgrößen der Batteriezelle 10 und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der detektierten Zustandsgrößen. Die Detektionseinheit kann dabei wenigstens einen Sensor aufweisen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Drucksensor, einem Temperatursensor, einem Beschleunigungssensor und einem Kraftsensor.
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In der 1 ist dabei zu erkennen, dass die Steuereinheit 14 als ein mit leitfähigen Funktionsstrukturen 16 versehener Träger 18 ausgestaltet ist und dabei beispielsweise folienartig ausgestaltet sein kann. Dabei können auf dem Träger 18 eine Mehrzahl an verschiedenartigen Detektionseinheiten und/oder eine Mehrzahl an räumlich verteilten gleichartigen Detektionseinheiten vorgesehen sein, welche durch die Funktionsstrukturen 16 ausgebildet sind. Ferner kann eine derartige Funktionsstruktur 16 beispielsweise eine Speichereinheit für eine Datenspeicherung aufweisen.
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In der 2 ist ferner eine Ansicht der Batteriezelle 10 beziehungsweise des Teils aus 1 gezeigt. Dabei ist zu erkennen, dass der Träger 18 auf dem Wicklungselement beziehungsweise einer Folie des Wicklungselements beziehungsweise der Zelleinheit 12 angeordnet ist und dabei die verschiedenen Funktionsstrukturen 16 trägt. Dabei ist ferner gezeigt, dass eine Kontaktierung 22 der Steuereinheit vorgesehen ist, um Steuer- beziehungsweise Messdaten zu liefern oder zu empfangen, wobei die Kontaktierung 22 von einer Kontaktierung 20 des Wicklungselements, beispielsweise einer Kontaktfahne, elektrisch isoliert ist. Dadurch wird es beispielsweise möglich, dass Daten einer außerhalb der Batteriezelle 10 beziehungsweise außerhalb des Zellgehäuses angeordneten Detektionseinheit an die Steuereinheit 14 übermittelbar sind und/oder dass die Steuereinheit 14 mit einem Aktuator durch eine Steuerleitung verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0255381 A1 [0004]
- DE 2012209397 A1 [0005]
