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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine galvanische Zelle und ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle.
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Gegenwärtig erfolgt die Überwachung des Betriebszustandes, beispielsweise von Spannungen und Temperaturen, an Batteriezellen für Elektrofahrzeuge durch extern angebrachte Sensoren. Im Rahmen der fortschreitenden Entwicklung wird es wichtiger, eine genauere Messung oder die Messung neuartiger Messgrößen durchzuführen. Eine dieser wichtigen Messgrößen für die Kontrolle des Gesundheitszustandes der Batterie ist der Batterieinnendruck, da ein Anstieg des Drucks in der Zelle auf eine Fehlfunktion und einen baldigen Ausfall hindeutet. Die Realisierung einer solchen Messung kann durch Einbringen eines Drucksensors in die Zelle geschehen.
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Die Umweltbedingungen innerhalb der Batteriezelle sind nicht ohne Weiteres für klassische Verpackungsmaterialien, Vergussmassen, Leiterplatten, Klebstoffe oder Gele geeignet. Typische medienbeständige Sensorkonzepte zum Beispiel für den Abgasstrang oder das Getriebeöl eines Fahrzeugs sind dagegen aufgrund der deutlich abweichenden Chemie eines Batterieelektrolyten ungeeignet.
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Es besteht ein Interesse daran, galvanische Zellen mit Sensoren zur Überwachung der Gesundheit und Sicherheit der galvanischen Zelle, insbesondere mit Sensoren zum Erfassen des Drucks der galvanischen Zelle, zu entwickeln.
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Aus der
JP 2012-074198 ist eine Energieerzeugungseinrichtung mit einer Vielzahl von Batteriemodulen bekannt, bei welcher die Verschlechterung des Batteriemoduls über eine Druckmessung im Batteriemodul erkannt wird. Der Drucksensor ist dabei ein drucksensitiver Schalter unter Verwendung eines leitfähigen Gummis.
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Aus der
DE 10 2012 207 999 A1 ist ein Drucksensor in einer so genannten Pouchzelle (pouch = Beutel) offenbart, wobei der Drucksensor als ein mikroelektromechanisches System ausgebildet sein kann. Der Drucksensor ist an den flexiblen Folienbeutel geklebt, entweder von innen oder von außerhalb der Zelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Bei einer erfindungsgemäßen galvanischen Zelle mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein Zellwickel oder ein Zellstapel und gegebenenfalls ein flüssiger oder gasförmiger Elektrolyt aufgenommen ist, und mit einem Sensor zum Erfassen des Drucks der galvanischen Zelle, ist vorgesehen, dass das Gehäuse eine Aussparung aufweist, welche als eine Durchgangsöffnung zwischen einem Inneren und einem Äußeren der Zelle ausgebildet ist, dass der Sensor außerhalb der Zelle unmittelbar oder mittelbar an dem Gehäuse, insbesondere am Deckel des Gehäuses, befestigt angeordnet ist und dass der Sensor über die Aussparung mit Inneren der galvanischen Zelle und gegebenenfalls mit dem flüssigen oder gasförmigen Elektrolyt der galvanischen Zelle in Kontakt steht.
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Vorteilhaft hat der erfindungsgemäße Sensor dabei unmittelbaren Kontakt zu dem Inneren der Zelle und kann den Druck in der galvanischen Zelle direkt messen. Dennoch ist der Sensor außerhalb des Gehäuses angeordnet, um die elektrische Kontaktierung zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß ist der Sensor außerdem ein mikroelektromechanisches System (MEMS). Das mikroelektromechanische System kann im Rahmen der Erfindung auch als ein Mikrosystem bezeichnet werden. Es umfasst ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil, das Komponenten bevorzugt im Mikrometerbereich aufweist, die als ein System zusammenwirken. Das mikroelektromechanische System umfasst dabei zumindest einen Drucksensor, sowie gegebenenfalls auch Aktoren und eine Steuerungselektronik auf einem Chip. Beispielsweise kann ein derartiges mikroelektromechanisches System auf einem Substrat wie etwa Silizium oder Galliumarsenid hergestellt werden. Mikroelektromechanische Systeme haben den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer Größe besonders kostengünstig gefertigt werden können. Sie bieten ein großes Funktionsspektrum aufgrund der Integration elektrischer und nicht-elektrischer Funktionen. So kann der Drucksensor beispielsweise als piezoresistiver Drucksensor, als piezoelektrischer Drucksensor, als Drucksensor mit einem Hall-Element, als kapazitiver oder als induktiver Drucksensor ausgebildet sein, wobei ein piezoresistiver Drucksensor eine bevorzugte Ausführungsform bildet.
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Die Aussparung des Gehäuses weist bevorzugt Abmessungen in der Größenordnung von 0,1 mm bis 5 mm auf, wobei die Angaben sich im Falle eines runden Querschnitts auf einen Durchmesser oder auf einen Radius beziehen und im Falle eines rechteckigen Querschnitts auf eine Kantenlänge.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform steht der Drucksensor über zumindest einen, bevorzugt mehrere erste Bonddrähte mit einer Auswerteeinheit in Verbindung. Da sich der Drucksensor außerhalb der Zelle befindet, kann die Befestigung der ersten Bonddrähte vor oder nach der Konfektion des Gehäuses, insbesondere nach dem Einsetzen des Zellwickels in das Gehäuse und Verschließen des Gehäuses mit dem Gehäusedeckel, erfolgen.
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Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen ASIC (application-specific integrated circuit) umfassen oder einen Mikroprozessor, welcher auf dem Gehäuse, insbesondere auf dem Gehäusedeckel, oder auf einer Leiterplatte in der Nähe des Drucksensors angeordnet sein kann. Die Leiterplatte kann weitere elektrische Leitungen aufweisen, welche Sensoren zur Bestimmung von weiteren Betriebsparametern der galvanischen Zelle zugeordnet sind, beispielsweise Sensoren zur Bestimmung der Spannung oder der Temperatur. Der Drucksensor kann im Prinzip sowohl auf einer Oberseite als auch an einer Mantelfläche der Zelle angeordnet sein, bevorzugt jedoch in der Nähe der weiteren elektronischen Komponenten, so dass die Integration der elektrischen Leitungen mit den weiteren elektronischen Komponenten auf der gemeinsamen Leiterplatte erfolgen kann. Üblicherweise wird der Sensor im Bereich der Terminale verbaut, welcher zugleich ein typischer Verbauort für Spannungssensoren ist.
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Bevorzugt ist die galvanische Zelle eine prismatische galvanische Zelle, allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Bauform beschränkt. Es sind auch Rundzellen und Flachzellen denkbar. Nach einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform besteht das Gehäuse aus einem formstabilen Material, beispielsweise aus Aluminium.
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Nach einer Ausführungsform umfasst die galvanische Zelle ein Sockelelement, welches eine Aussparung aufweist, die gemeinsam mit der Aussparung des Gehäuses die Durchgangsöffnung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle bildet, wobei das Sockelelement den Sensor mit dem Gehäuse koppelt. Die Aussparung des Sockelelements ist dabei bevorzugt deckungsgleich oder in etwa deckungsgleich mit der Aussparung des Gehäuses ausgebildet. Somit ist der Sensor unmittelbar an dem Sockelelement befestigt und das Sockelelement ist wiederum unmittelbar an dem Gehäuse befestigt. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Sockelelement auf dem Gehäuse, insbesondere auf dem Gehäusedeckel, aufgelötet oder aufgeklebt ist und dass der Sensor auf dem Sockelelement aufgelötet, gebondet oder geklebt ist.
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Nach einer Ausführungsform ist das Sockelelement aus einem Glas gefertigt. Das Aufbringen des Sockelelements aus Glas auf das Gehäuse aus Aluminium, insbesondere auf einen Gehäusedeckel aus Aluminium, kann durch Löten oder Kleben geschehen. Das Aufbringen des Sensors auf das Sockelelement kann ebenfalls durch Löten erfolgen, da auch das Löten und Bonden von Silizium auf Glas im Prinzip möglich ist und eine bevorzugte Ausführungsform bildet.
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Das insbesondere aus Glas gefertigte Sockelelement wird beispielsweise mittels einer Beschichtung mit einer elektrolytbeständigen Schutzschicht versehen. Dabei kann vorgesehen sein, dass lediglich die Aussparung des Sockelelements mit der elektrolytbeständigen Schutzschicht beschichtet ist oder dass zusätzlich Grenzflächen zwischen dem Sockelelement und dem Sensor und/oder zwischen dem Sockelelement und dem Gehäuse beschichtet sind. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der Sensor eine elektrolytbeständige Schutzschicht aufweist.
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Im Falle von Lithium-Ionen-Batterien wird eine Beschichtung verwendet, welche vor Flusssäure schützt. Die Beschichtung kann beispielsweise Al2O3, Nickel-Chrom-Eisenlegierungen oder Molybdänlegierungen aufweisen. Die Beschichtung kann beispielsweise mittels CVD (chemical vapor deposition), PVD (physical vapor deposition) oder auch durch einen Sputterprozess erfolgen, wobei CVD, insbesondere ALD (atomic layer deposition) bevorzugt sind.
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Nach einer Ausführungsform weist das Gehäuse einen Gehäusedeckel auf, welcher eine Wand des Gehäuses bildet. Der Sensor ist dabei bevorzugt mittelbar oder unmittelbar an dem Gehäusedeckel befestigt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse eine Berstmembran auf. Nach einer Ausführungsform ist der Sensor mittelbar oder unmittelbar an der Berstmembran befestigt. Die Berstmembran kann dabei insbesondere auf dem Gehäusedeckel angeordnet sein. Die Berstmembran ist typischerweise dünner als sie umgebenden Bereiche ausgebildet, insbesondere dünner als der Gehäusedeckel. Vorteilhaft wird durch diese Maßnahme der thermomechanische Stress auf den Sensor verringert.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor und gegebenenfalls die Auswerteelektronik oder zumindest ein Teil der Auswerteelektronik, beispielsweise ein ASIC, unter einem Schutzgehäuse angeordnet. Alternativ kann der Sensor und gegebenenfalls ein Teil oder die ganze Auswerteelektronik in einer Vergussmasse vergossen sein. Das Schutzgehäuse kann dabei eine beliebige Form aufweisen, insbesondere platzsparend ausgebildet sein.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein Zellwickel oder ein Zellstapel und in dem gegebenenfalls ein flüssiger oder gasförmiger Elektrolyt aufgenommen ist, und mit einem Sensor zum Erfassen des Drucks der galvanischen Zelle, wobei der Sensor ein mikroelektromechanisches System ist, die Schritte:
- a) Bereitstellen des Gehäusedeckels mit einer Aussparung, welche als eine Durchgangsöffnung zwischen einem Inneren und einem Äußeren der Zelle ausgebildet ist,
- b) Befestigen des Sensors außerhalb der Zelle unmittelbar oder mittelbar an dem Gehäusedeckel, so dass der Sensor über die Aussparung mit dem Inneren der galvanischen Zelle in Kontakt stehen kann,
- c) Drahtbonden des Sensors zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einer Auswertelektronik, ggf. Vergießen oder Verkappen des Sensors, und
- d) Befestigen des Gehäusedeckels an einem Gehäuserumpf der Zelle.
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Die galvanische Zelle eignet sich zum Einsatz in einem Batteriemodul und/oder in einem Batteriepack, bei welchem die Batteriezellen bzw. Akkumulatorzellen typischerweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden sind. Beispielsweise können mehrere Module einen Batteriedirektkonverter bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter, welcher zum Betrieb eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als ein Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. In einigen Varianten kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine prismatische Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
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2 bis 6 Detailansichten eines Gehäuses einer galvanischen Zelle mit darauf angeordneten Sensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine galvanische Zelle 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die galvanische Zelle 2 wird im Folgenden auch kurz als Zelle 2 bezeichnet.
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Die galvanische Zelle 2 weist ein Gehäuse 4 auf, welches einen Gehäusedeckel 6 und einen Gehäuserumpf 8 umfasst. In dem Gehäuse 4 sind ein oder mehrere Zellwickel oder ein Zellstapel angeordnet, was in der perspektivischen Außenansicht der galvanischen Zelle 2 in 1 nicht zu sehen ist.
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Die dargestellte galvanische Zelle 2 ist eine im Prinzip bekannte prismatische galvanische Zelle 2, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle, welche beispielsweise bei Elektro- und Hybridfahrzeugen mit weiteren galvanischen Zellen 2 zu Modulen zusammengeschaltet wird, um den Fahrzeugantrieb bereitzustellen. Auf dem Gehäusedeckel 6 sind dabei Terminale 10 angeordnet, sowie eine Berstmembran 12 und eine Einfüllöffnung 14. Über die Terminale 10 wird die galvanische Zelle 2 von außen elektrisch kontaktiert. Die Einfüllöffnung 14 und die Berstmembran 12 sind im Wesentlichen im Zentrum des Gehäusedeckels 6 angeordnet, wohingegen die Terminale 10 eher peripher gelegen sind.
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Bei der Herstellung werden die Zellwickel oder der Zellstapel in das Gehäuse 4 eingesetzt. Hiernach erfolgt der Verschluss des Gehäuses 4 mit dem Gehäusedeckel 6, beispielsweise durch Verschweißen. Im dargestellten Fall der Lithium-Ionen-Zelle wird ein flüssiger oder gasförmiger Elektrolyt über die Einfüllöffnung 14 vertikal eingefüllt und gelangt dann in die Zellwickel, welche sich mit dem Elektrolyt vollsaugen.
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Am Gehäuse 4, insbesondere an dem Gehäusedeckel 6, insbesondere an der Berstmembran 12, ist ein Sensor 16 befestigt, welcher zum Erfassen des Drucks der galvanischen Zelle 2 ausgebildet ist. Der Sensor 16 hat einerseits unmittelbar Kontakt mit dem Inneren 22 der galvanischen Zelle 2 und ist andererseits außerhalb des Gehäuses 4 angeordnet, was eine besonders einfache elektrische Kontaktierung erlaubt.
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2 zeigt eine Detailansicht des Gehäuses 4 der galvanischen Zelle 2, welche mit Bezug zu 1 beschrieben wurde. Der Abschnitt des Gehäuses 4 muss dabei nicht zwangsläufig der Berstmembran 12 zugeordnet sein, wie in 1 dargestellt, sondern kann selbstverständlich ein beliebiger Teil des Gehäuses 4 sein, wobei die Anordnung auf dem Gehäusedeckel 6 bevorzugt ist.
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Das Gehäuse 4 weist eine Aussparung 18 auf, welche eine Durchgangsöffnung 20 zwischen einem Inneren 22 und einem Äußeren 24 der Zelle 2 bildet. In dem Bereich um die Aussparung 18 des Gehäuses 4 ist ein Sockelelement 26 angeordnet, welches ebenfalls eine Aussparung 28 aufweist, welche ebenfalls die Durchgangsöffnung 20 zwischen dem Inneren 22 und dem Äußeren 24 der Zelle 2 ausbildet. Das Sockelelement 26 und das Gehäuse 4 berühren sich an einer ersten Grenzfläche 30 und sind an der ersten Grenzfläche 30 beispielsweise miteinander verklebt, verlötet oder verschweißt.
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Das Sockelelement 26 ist aus Glas gefertigt, beispielsweise aus einem Kalk-Natron-Glas, welches Siliziumdioxidanteile, Natriumoxidanteile und Calciumoxidanteile aufweisen kann, insbesondere aus Normalglas mit einer chemischen Zusammensetzung Na2O∙CaO∙6SiO2. Das Sockelelement 26 kann außerdem Boroxidanteile und/oder Aluminiumoxidanteile aufweisen, um die Widerstandsfähigkeit gegen Wasser, Säuren und Laugen zu erhöhen. Beispielsweise kann es sich dabei auch um ein Borosilikatglas handeln, bei welchem eine gute chemische Beständigkeit und ein geringer Wärmeausdehnungskoeffizient zu erwarten ist.
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Auf dem Sockelelement 26 ist der Sensor 16 angeordnet, beispielsweise verlötet oder gebondet. Der Sensor 16 ist ein Sensor 16 ersten Typs, welcher zu einer Absolutdruckmessung ausgebildet ist. Der Sensor 16 weist hierzu ein Referenzvolumen 34 mit einem bekannten Druck auf, beispielsweise 1 mbar.
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Das Sockelelement 26 und der Sensor 16 berühren sich an einer zweiten Grenzfläche 32.
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Der Sensor 16 weist einen ersten Kontaktbereich 36 auf, welcher in unmittelbaren Kontakt zu dem Inneren 22 der Zelle 2 steht, wodurch der Druck innerhalb des Gehäuses 4 direkt gemessen werden kann. Insbesondere steht der Sensor 16 im ersten Kontaktbereich 36 über die Durchgangsöffnung 20 mit dem Inneren 22 der galvanischen Zelle 2 und gegebenenfalls mit dem flüssigen oder gasförmigen Elektrolyt in Kontakt, welcher sich im Inneren 22 des Gehäuses 4 befindet.
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Auch das Sockelelement 26 steht im Bereich seiner Aussparung 28, welche die Durchgangsöffnung 20 mit bildet, im Kontakt mit dem Inneren 22 der Zelle 2 und gegebenenfalls mit dem flüssigen oder gasförmigen Elektrolyt. Im Bereich der Aussparung 28 kann daher vorgesehen sein, dass das Sockelelement 26 eine Beschichtung aufweist, insbesondere für den Fall, dass das Sockelelement 26 aus Glas gefertigt ist. Die Beschichtung kann dabei auch auf den Sensor 16 und auf die zweite Grenzfläche 32 zwischen dem Sockelelement 26 und dem Sensor 16 und/oder auf die erste Grenzfläche 30 zwischen dem Sockelelement 26 und dem Gehäuse 4 ausgedehnt sein.
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Der Sensor 16 weist außerdem einen Außenbereich 38 auf, welcher in unmittelbarem Kontakt zu dem Äußeren 24 des Gehäuses 4 bzw. der Zelle 2 steht. Über den Außenbereich 38 des Sensors 16 erfolgt die elektrische Kontaktierung des Sensors 16, wie mit Bezug zu 5 und 6 näher beschrieben wird.
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3 zeigt wie 2 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Gehäuses 4 der galvanischen Zelle 2, wobei der Sensor 16 in diesem Fall ein Sensor 16 eines zweiten Typs ist und zur Relativdruckmessung ausgebildet ist. Der Sensor 16 ist wiederum über das Sockelelement 26 mittelbar mit dem Gehäuse 4 gekoppelt und weist, wie mit Bezug zu 2 beschrieben, den ersten Kontaktbereich 36 und den Außenbereich 38 auf, über welche der Sensor 16 einerseits mit dem Inneren 22 der Zelle 2 und andererseits mit dem Äußeren 24 der Zelle 2 unmittelbar in Kontakt steht. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in 2 umfasst der Sensor 16 des zweiten Typs kein Referenzvolumen 34, so dass die Messung relativ zum Außendruck erfolgt.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher der Sensor 16, hier beispielhaft wieder der Sensor 16 zweiten Typs zur Relativdruckmessung aus 3, über eine dritte Grenzfläche 52 direkt an das Gehäuse 4 gekoppelt ist, wobei gegenüber den Ausführungsformen, welche mit Bezug zu 2 und 3 beschrieben wurden, kein Sockelelement 26 eingesetzt wird.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der galvanischen Zelle 2, wobei die mit Bezug zu 3 beschriebene Anordnung um weitere Elemente erweitert wurde.
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Der Sensor 16 ist mittels erster Bonddrähte 40 an einen ASIC 42 gekoppelt, welcher sich auf einer Leiterplatte 44 befindet. Sowohl der Sensor 16 als auch eine Auswerteeinheit, welche den ASIC 42 und die Leiterplatte 44 umfasst, befinden sich im Inneren 22 eines Schutzgehäuses 46, welches sie vor äußeren Einflüssen wie etwa Druckschwankungen oder mechanischen Einwirkungen wie Verformungen schützt. Anstelle des Schutzgehäuses 46 kann auch ein Vergusselement vorgesehen sein Mit dem Vergusselement werden der Sensor 16 und die Auswerteeinheit von einer Vergussmasse umschlossen.
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Auf der Leiterplatte 44 können weitere Elemente angeordnet sein, insbesondere weitere ASICs, Mikrocontroller, etwa Temperatursensoren und/oder Leiterbahnen zu solchen Elementen.
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6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform, bei welcher lediglich ein erster Teil der Leiterplatte 44 im Schutzgehäuse 46 angeordnet ist und ein zweiter Teil der Leiterplatte 44 über das Schutzgehäuse 46 nach außen vorsteht. Zur elektrischen Kontaktierung nach außen ist auf dem zweiten Teil der Leiterplatte 44 ein Kontaktpad 50 vorgesehen. Der ASIC 42 ist über zweite Bonddrähte 48 mit dem Kontaktpad 50 verbunden. Alternativ können auch Lötbälle vorgesehen sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2012-074198 [0005]
- DE 102012207999 A1 [0006]
