DE102015002069A1 - Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, Batterie und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) eine für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einem Batteriezellengehäuse (12), in welchem ein galvanisches Element (14) aufgenommen ist. Über zwei elektrischen Anschlüsse (20, 22) ist die Batteriezelle (10) mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle der Batterie elektrisch verbindbar. Die Batteriezelle (10) weist eine Indikatoreinrichtung (26) auf, anhand welcher ein Zustand der Batteriezelle (10) von außerhalb des Batteriezellengehäuses (12) erkennbar ist. Der Zustand ist von wenigstens einem messtechnisch erfassbaren Parameter der Batteriezelle (10) abhängig, und die Indikatoreinrichtung (26) ist dazu ausgebildet, eine Änderung des Zustands der Batteriezelle (10) anzuzeigen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Batteriezellen (10) und ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs. Die Batteriezelle umfasst ein Batteriezellengehäuse, in welchem ein galvanisches Element aufgenommen ist. Über zwei elektrische Anschlüsse kann die Batteriezelle mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle der Batterie elektrisch verbunden werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Batteriezellen und ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie.
  • Aus dem Stand der Technik etwa der DE 10 2010 045 037 A1 ist es bekannt, eine Mehrzahl von Batteriezellen zum Bereitstellen einer bestimmten Spannung beziehungsweise eines bestimmten Stroms zu einer Batterie zusammenzuschalten. Solche Batterien werden heutzutage insbesondere als Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen wie etwa Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie eingesetzt.
  • An den Anschlüssen oder Batteriepolen von aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen liegt im Normalfall eine elektrische Spannung an. Falls nun viele Batteriezellen in einer Reihenschaltung zusammengeschaltet werden, so können daraus hohe und gefährliche Spannungen resultieren. Beispielsweise kann eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug eine Spannung von einigen hundert Volt bereitstellen. Entsprechend ist es von Interesse, die tatsächlich an den Anschlüssen einer Batteriezelle anliegende Spannung zu kennen.
  • Durch eine Spannungsmessung etwa mit einem Voltmeter kann auf den Ladezustand der Batteriezelle geschlossen werden. Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass dieser elektrische Zustand der Batteriezelle nicht ohne technische Hilfsmittel erkannt werden kann. Dadurch lassen sich auch eine mögliche von der Batteriezelle ausgehende Gefährdung oder sonstige Probleme nicht einfach und auf Anhieb erkennen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriezelle, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher oder bei welchem ein besonders sicherer Umgang mit der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie ermöglicht ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist eine Indikatoreinrichtung auf, anhand welcher ein Zustand der Batteriezelle, welcher von wenigstens einem messtechnisch erfassbaren Parameter der Batteriezelle abhängig ist, von außerhalb des Batteriezellengehäuses erkennbar ist. Hierbei ist die Indikatoreinrichtung dazu ausgebildet, eine Änderung des Zustands der Batteriezelle anzuzeigen. Mit anderen Worten ist die Indikatoreinrichtung nicht statisch, sondern dazu in der Lage, den aktuellen Zustand der Batteriezelle anzuzeigen, insbesondere also auf optisch erfassbarem Weg oder sonstwie zu kommunizieren.
  • Durch die Integration einer solchen Indikatoreinrichtung oder einer derartigen Statusanzeige in die Batteriezelle lassen sich also verschiedene Zustände der Batteriezelle signalisieren, insbesondere durch eine Visualisierung des Status der Batteriezelle. Es ist so eine aktive Zustandsanzeige der Batteriezelle geschaffen, mittels welcher sich auf Anhieb der Status der Batteriezelle erfassen lässt. Durch eine solche Statusrückmeldung der Batteriezelle ist insbesondere ein besonders sicherer Umgang mit der Batteriezelle möglich. Es kann nämlich von einer die Batteriezelle handhabenden Person anhand der Indikatoreinrichtung auf den Zustand der Batteriezelle rückgeschlossen werden.
  • Dies ist insbesondere bei der Batteriefertigung von Vorteil, jedoch auch im Fall einer Nacharbeit an der Batterie etwa durch einen Kundendienst. Wenn die Batterie, welche Batteriezellen mit der Indikatoreinrichtung aufweist, in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, so kann auch beispielsweise nach einem Unfall mittels der Indikatoreinrichtung der Zustand der jeweiligen Batteriezelle den Personen zur Kenntnis gebracht werden, welche mit dem in den Unfall verwickelten Kraftfahrzeug befasst sind. So kann insbesondere eine Gefährdung von Rettungspersonal oder sonstigen Helfern verringert werden.
  • Das galvanische Element der Batteriezelle ist bevorzugt als Sekundärelement ausgebildet, welches zum Versorgen einer elektrischen Komponente entladen und nach der Entladung wieder aufgeladen werden kann. Hierbei umfasst das galvanische Element in an sich bekannter Weise Ableiter etwa in Form von Metallfolien, welche mit dem elektrochemisch aktiven Material der Elektroden des galvanischen Elements beschichtet sind. Des Weiteren ist ein Elektrolyt vorgesehen sowie ein die elektrochemisch aktiven Materialien voneinander trennender Separator. In einem solchen galvanischen Element können die Ableiter gestapelt, gefaltet oder gewickelt vorliegen, so dass das galvanische Element auch als Zellstapel oder Zellwickel bezeichnet wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Indikatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Schaltzustand wenigstens eines Schaltelements anzuzeigen, welches zum Unterbrechen und zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Ableiter des galvanischen Elements und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse ausgebildet ist. Dann lässt sich nämlich von außen sehr leicht erkennen, ob an den Anschlüssen der Batteriezelle eine Spannung anliegt oder nicht. Ist bei geöffnetem Schaltelement die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse unterbrochen, so kann durch die Batteriezelle kein Stromfluss mehr stattfinden. Dadurch kann mit der Batteriezelle gefahrlos umgegangen werden. Eine solche Indikation des Schaltzustands nach außen ist daher im Hinblick auf den sicheren Umgang mit der Batteriezelle besonders wünschenswert.
  • Insbesondere wenn die Batteriezelle mit weiteren Batteriezellen elektrisch in Reihe geschaltet ist, und daher hohe Spannungen an einer die Batteriezellen aufweisenden Batterie oder einem Batteriemodul auftreten können, ist es vorteilhaft wenn zwischen jedem der beiden Ableiter des galvanischen Elements und dem jeweiligen elektrischen Anschluss das Schaltelement angeordnet ist. Durch das Vorsehen von zwei Schaltelementen in jeder Batteriezelle kann nämlich eine besonders sichere Abtrennung des galvanischen Elements von weiteren Batteriezellen der Batterie sichergestellt werden.
  • Es ist möglich, das Schaltelement als Relais auszubilden. Dann lässt sich eine besonders sichere galvanische Trennung erreichen. Jedoch beansprucht ein solches mechanisch arbeitendes Bauteil vergleichsweise viel Bauraum innerhalb der Batteriezelle. Bevorzugt ist daher das wenigstens eine Schaltelement als Halbleiterelement ausgebildet. Ein solches Halbleiterelement lässt sich besonders einfach und rasch in den gewünschten Schaltzustand überführen, wobei der hierfür vorzusehende Energiebedarf äußerst gering ist. Des Weiteren kann eine Kombination eines Relais mit einem Halbleiterelement vorgesehen sein, um sowohl besonders rasch als auch besonders sicher die elektrisch leitende Verbindung unterbrechen zu können.
  • Das wenigstens eine Schaltelement kann als Halbleiterelement ausgebildet sein, welches mittels eines Treiberbausteins geschaltet werden kann. Dann lässt sich das Schaltverhalten des Schaltelements abhängig von einer Vielzahl von Einflussparametern einstellen oder programmieren. Durch das Vorsehen eines solchen Treiberbausteins oder Treibers zum Ansteuern des Halbleiterelements ist der Batteriezelle eine Intelligenz verliehen, die Batteriezelle also als sogenannte „SmartCell” (Intelligente Batteriezelle) ausgebildet. Dies ermöglicht es, Schaltkriterien abzuleiten oder vorzugeben, etwa durch ein Hinterlegen von Kennlinien oder Kennlinienfeldern in einem Speicher des Treiberbausteins. Auf diese Weise kann besonders gut der sichere Betrieb der Batteriezelle gewährleistet werden.
  • Mittels der schaltbaren Batteriezelle kann die funktionale Sicherheit der Batteriezelle selber sowie aller Bauteile und Komponenten derselben gemäß international spezifizierter Sicherheitsanforderungen sichergestellt werden, beispielsweise gemäß dem D-Level der ASIL (Automotive Safety Integrity Level, Niveau der Intaktheit im Hinblick auf die Sicherheit bei mobilen Anwendungen).
  • Auch eine Feststellung, ob das Schaltelement geschlossen oder geöffnet ist, kann gemäß dem D-Level der ASIL sicher getroffen und mittels der Indikatoreinrichtung signalisiert oder angezeigt werden.
  • Bevorzugt ist der Treiberbaustein innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet. Dann ist der Treiberbaustein gut geschützt. Des Weiteren können dem Treiberbaustein so besonders gut Signale von Sensoren zugeführt werden, welche Parameter der Batteriezelle erfassen und sich hierfür ebenfalls innerhalb des Batteriezellengehäuses befinden.
  • Das Halbleiterelement kann als binärer Schalter ausgebildet sein, bei welchem in einem Schaltzustand die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter und dem zumindest einen elektrischen Anschluss unterbrochen und in dem anderen Schaltzustand die elektrisch leitende Verbindung hergestellt ist. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen eines Leistungstransistors als dem Halbleiterelement realisiert werden.
  • Der Treiberbaustein kann in die Indikatoreinrichtung integriert sein. Insbesondere wenn jedoch der Treiberbaustein innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet ist und die Indikatoreinrichtung an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses, ist auch eine Ausbildung dieser Komponenten als voneinander separate Bauteile möglich.
  • Das Anordnen der Indikatoreinrichtung an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses erleichtert es, anhand der Indikatoreinrichtung den Zustand der Batteriezelle von außen zu erfassen. Die Indikatoreinrichtung kann jedoch auch einen Teilbereich des Batteriezellengehäuses bilden, also etwa in eine Wand des Batteriezellengehäuses integriert sein.
  • Insbesondere wenn die Indikatoreinrichtung an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses angeordnet ist, lässt sich die Indikatoreinrichtung platzsparend zwischen den beiden Anschlüssen unterbringen, da die beiden Anschlüsse erhaben über die Außenseite des Batteriezellengehäuses hervorstehen können. Durch das Anordnen der Indikatoreinrichtung zwischen den beiden Anschlüssen lässt sich also der hier vorhandene Bauraum besonders gut ausnutzen.
  • Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Indikatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Transportzustand und/oder einen Montagezustand der Batteriezelle anzuzeigen, wobei der Transportzustand und/oder der Montagezustand mittels einer Steuereinheit der Batteriezelle aktivierbar sind. Wenn nämlich beispielsweise die Batteriezelle für den Transport oder für die Montage oder Produktion in einen entsprechenden Zustand verbracht werden kann, in welchem von der Batteriezelle keine Gefährdung ausgeht, so ist das Anzeigen dieses Transportzustands oder Montagezustands besonders sinnvoll.
  • Beispielsweise kann beim Transport der Batteriezelle mittels des Schaltelements die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Ableitern des galvanischen Elements und den elektrischen Anschlüssen der Batteriezelle unterbrochen werden, sodass an den Anschlüssen oder Batteriepolen keine Spannung abgegriffen werden kann. Dann lässt sich die Batteriezelle gefahrlos transportieren.
  • Auch bei der Montage der Batteriezelle, also bei deren Einbau in eine Batterie und somit bei der Produktion von Batterien können durch Öffnen des wenigstens einen Schaltelements die Anschlüsse der Batterie spannungsfrei geschaltet werden. Dieser gefahrlose Zustand der Batteriezelle kann dann mittels der Indikatoreinrichtung während des Transports oder der Montage nach außen signalisiert werden. Dies macht die Handhabung einer die Batteriezellen aufweisenden Batterie besonders sicher.
  • Die Indikatoreinrichtung ist bevorzugt des Weiteren dazu ausgebildet, einen Fehler der Batteriezellen anzuzeigen. Dies ist sowohl im Hinblick auf eine Wartung der Batterie vorteilhaft, welche eine Mehrzahl der Batteriezellen aufweist, als auch im Hinblick auf die Produktion der Batterie, bei welcher eine Vielzahl von Batteriezellen in der Batterie elektrisch leitend miteinander verbunden werden. So kann nämlich die fehlerhafte Batterie ausgetauscht oder repariert werden.
  • Bei dem Fehler kann es sich beispielsweise um einen Isolationsfehler handeln, etwa wenn sich die Ableiter des galvanischen Elements berühren oder wenn das galvanische Element mit dem Batteriezellengehäuse in elektrisch leitendem Kontakt ist, welches wiederum aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Jedoch kann auch eine in der Vergangenheit aufgetretene hohe elektrische, thermische oder sonstige Belastung, etwa eine Druckbelastung und/oder eine Beschleunigung der Batteriezelle zu einem Fehler derselben führen, welcher vorteilhaft mittels der Indikatoreinrichtung signalisiert werden kann. Dasselbe gilt, wenn der Fehler darin besteht, dass die Batteriezelle nicht die gewünschte Spannung oder Ladungsmenge bereitstellen kann.
  • Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Indikatoreinrichtung und/oder zumindest ein mit der Indikatoreinrichtung gekoppelter Sensor dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Parameter zu erfassen, wobei die Indikatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, den Zustand der Batteriezelle in Bezug auf den wenigstens einen Parameter anzuzeigen. Beispielsweise kann mittels der Indikatoreinrichtung eine Spannung der Batteriezelle erfasst werden, etwa die an den Ableitern des galvanischen Elements anliegende Spannung.
  • Wenn die Indikatoreinrichtung mit einem Sensor gekoppelt ist, welcher die Temperatur erfassen kann, so kann zusätzlich oder alternativ die Temperatur innerhalb der Batteriezelle und/oder außerhalb der Batteriezelle erfasst werden. Dies ermöglicht es, etwa die Zellspannung und/oder die Temperatur nach außen zu signalisieren, wobei beispielsweise eine niedrige Spannung oder eine hohe Temperatur einer mit der Batteriezelle umgehenden Person zur Kenntnis gebracht werden kann. Auch aus derartigen Angaben lässt sich auf einen Fehler der Batteriezelle schließen, etwa wenn beim Laden der Batteriezelle diese zwar eine hohe Temperatur, jedoch lediglich eine mäßige Spannung erreicht. Derartige Informationen können insbesondere mit der Information über den Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements verknüpft und nach außen gespiegelt oder signalisiert werden. So kann die mit der Batteriezelle umgehende Person besonders gut über den jeweils aktuellen Zustand der Batteriezelle informiert werden.
  • Für die Beurteilung des Zustands der Batteriezelle sind jedoch auch weitere Parameter von Interesse. Entsprechend können die mittels der Indikatoreinrichtung und/oder mittels des wenigstens einen Sensors erfassbaren Parameter die Stromstärke eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms und/oder einen Druck und/oder mechanische Spannungen und/oder eine Beschaffenheit eines Elektrolyten des galvanischen Elements und/oder eine Beschleunigung umfassen. So kann sich die mit der Batteriezelle umgehende Person ein besonders umfassendes Bild vom Zustand der Batteriezelle machen.
  • Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Indikatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Einzelwert anzuzeigen, welcher beispielsweise den Ladezustand und/oder den Gesundheitszustand der Batteriezelle angeben kann. Der Gesundheitszustand (SoH, State of Health) erlaubt es, eine Information über den Alterungszustand der Batteriezelle zu erhalten. Aufschlussreich ist es außerdem, wenn die Indikatoreinrichtung einen Einzelwert angeben kann, welcher eine Anzahl von Ladevorgängen und/oder Entladevorgängen der Batteriezelle angibt.
  • Darüber hinaus kann anhand insbesondere von Spitzenwerten, also im Laufe der Nutzung der Batteriezelle erreichten Höchstwerten der Temperatur, des Drucks, der Spannung, der Stromstärke, mechanischer Spannungen oder Beschleunigungen, welchen die Batteriezelle ausgesetzt war, auf den Zustand der Batteriezelle geschlossen werden. Des Weiteren ist es für eine umfassende Beurteilung des Zustands der Batteriezelle hilfreich, wenn die Indikatoreinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Wert anzuzeigen, welcher eine Beschaffenheit eines Elektrolyten des galvanischen Elements angibt. Derartige Informationen können insbesondere dazu herangezogen werden zu entscheiden, welche Funktion die Batteriezelle noch erfüllen kann. So kann über einen Austausch der Batteriezelle oder einen Einsatz derselben für einen anderen Zweck, insbesondere einen mit geringeren Anforderungen einhergehenden Zweck, entschieden werden. So lassen sich die Zustandsinformationen der Batteriezelle besonders sinnvoll nutzen.
  • Zum Anzeigen des Zustands der Batteriezelle kann die Indikatoreinrichtung wenigstens eine Leuchteinrichtung umfassen, etwa eine oder mehrere in unterschiedlichen Farben leuchtende Signallampen. Beispielsweise lässt sich durch das Verwenden der Ampelfarben Rot, Gelb und Grün insbesondere in Kombination mit einer einfach verständlichen Symbolik besonders leicht und eingängig der derzeitige Status oder Zustand der Batteriezelle signalisieren.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Indikatoreinrichtung einen Bildschirm umfassen, also ein Display oder eine derartige Visualisierungseinheit. Dies ermöglicht insbesondere das Anzeigen von den Zustand der Batteriezelle angebenden Informationen mit einer entsprechend hohen Detailliertheit.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Indikatoreinrichtung zum Ausgeben eines akustisch erfassbaren Signals und/oder eines haptisch erfassbaren Signals ausgebildet sein, welches den derzeitigen Zustand der Batteriezelle angibt. Auch so lässt sich von einer mit der Batteriezelle umgehenden Person von außen auf den Zustand der Batteriezelle schließen. Beispielsweise kann ein Signalton auf den Zustand der Batteriezelle hinweisen. Oder es kann mittels eines Ultraschallpulses das Batteriezellengehäuse zum Vibrieren gebracht werden und so den Zustand der Batteriezelle nach außen signalisieren.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Indikatoreinrichtung zum Verstärken eines mit dem Zustand der Batteriezelle korrelierenden Signals ausgebildet. Beispielsweise kann mittels der Indikatoreinheit ein pulsierendes magnetisches und/oder elektrisches Feld detektiert werden und ein entsprechendes, schwaches Signal mittels der Indikatoreinheit verstärkt werden, sodass der Zustand der Batteriezelle von außerhalb des Batteriezellengehäuses erkennbar ist. Auf diese Weise ist eine äußere, aktive Indikatoreinrichtung geschaffen, welche insbesondere auf geringfügige Veränderungen des Zustands der Batteriezelle zu reagieren in der Lage ist.
  • Um die Indikatoreinrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen, kann die Indikatoreinrichtung mit dem galvanischen Element gekoppelt sein. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn mittels der Indikatoreinheit ohnehin die von dem galvanischen Element bereitgestellte Spannung erfasst und signalisiert werden soll. Zudem bezieht so die Indikatoreinrichtung die elektrische Energie direkt aus der Batteriezelle. Dies ist jedoch im Hinblick auf die von der Batteriezelle bereitgestellte elektrische Energie unproblematisch, da die Indikatoreinrichtung mit einer sehr geringen Energiemenge auskommt, also bevorzugt eine Low-Power-Ausführung, insbesondere eine Ultra-Low-Power-Ausführung ist.
  • Zusätzlich oder alternativ kann jedoch zum Versorgtwerden der Indikatoreinrichtung diese mit einem separaten elektrischen Energiespeicher gekoppelt sein, etwa mit einem in dem Batteriezellegehäuse angeordneten Kondensator. Das Vorsehen eines solchen separaten Energiespeichers macht das Bereitstellen der elektrischen Energie für die Indikatoreinrichtung von der elektrischen Energie unabhängig, welche das galvanische Element der Batteriezelle bereitstellt. So kann stets ein sicheres Anzeigen des Zustands der Batteriezelle gewährleistet werden.
  • Insbesondere kann ein solcher elektrischer Energiespeicher beim Laden der Batteriezelle mitgeladen werden. Bei Verwendung einer eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisenden Batterie im Fahrzeug kann dies etwa während des sogenannten Rekuperationsbetriebs erfolgen. Der separate Energiespeicher kann jedoch auch nach einem Anschließen der Batterie an eine Stromquelle mitgeladen werden.
  • Die Indikatoreinrichtung kann also insbesondere als passiver Indikator ausgebildet sein, der nicht von außerhalb der Batteriezelle mit elektrischer Energie versorgt zu werden braucht.
  • Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Indikatoreinrichtung zum Empfangen drahtlos übertragener Energie ausgebildet ist. Dann können nämlich aufwendige Leitungsverbindungen entfallen. Auch bei Nutzung drahtloser Energieübertragung, etwa in Form von Lichtwellen, lässt sich der Zustand der Batteriezelle signalisieren. Dies kann etwa geschehen, indem eine an der Außenseite des Batteriezellengehäuses angebrachte oder in das Batteriezellengehäuse integrierte Leuchtdiode angesteuert wird, beispielsweise unter Zwischenschaltung einer Photozelle. Auch dann benötigt eine solche externe Indikatoreinrichtung keine von extern zugeführte Energie.
  • Die erfindungsgemäße Batterie umfasst eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriezellen, welche in Reihe geschaltet und/oder parallel geschaltet sein können.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Batterie. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Personenkraftwagen, insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Des Weiteren kann es sich bei dem Kraftfahrzeug auch um ein elektrisch betriebenes Motorrad oder um ein elektrisch betriebenes Fahrrad handeln.
  • Es ist des Weiteren möglich, die Batterie in einem stationären Energiespeichersystem vorzusehen. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Batterie, welche in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt war, als sogenannte Second Life Batterie weiterverwendet wird, bei welcher also die Batterie einer anders gearteten Nutzung zugeführt wird. Insbesondere bei Second Life Anwendungen können nämlich die Anforderungen etwa an die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen geringer sein als bei Verwendung der Batteriezellen für die Batterie des Kraftfahrzeugs.
  • Die für die erfindungsgemäße Batteriezelle beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batterie und für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 stark schematisiert und in einer Draufsicht eine Batteriezelle mit in die Batteriezelle integriertem Schaltelement, wobei mittels einer Indikatoreinrichtung der Batteriezelle ein Zustand derselben angezeigt werden kann; und
  • 2 die Batteriezelle gemäß 1 in einer schematischen Seitenansicht, in welcher in der Batteriezelle angeordnete Komponenten dargestellt sind.
  • In 1 ist schematisch eine Batteriezelle 10 gezeigt, wie sie beispielsweise in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen kann. Die Batteriezelle 10 kann hierfür etwa als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. In einer Batterie, wie sie als Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, ist üblicherweise eine Vielzahl solcher Batteriezellen 10 elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, um entsprechend hohe Spannungen und Ströme bereitzustellen.
  • Bei einer Reihenschaltung solcher Batteriezellen 10 kann insgesamt eine sehr hohe Spannung und zwar eine Spannung von mehreren hundert Volt der Batterie auftreten, etwa weil mehrere Batteriemodule, welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 enthalten, elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Diese hohen Spannungen aber auch das Auftreten von Kurzschlüssen oder Lichtbögen können eine Gefährdung für Personen mit sich bringen. Es ist daher für eine Person, welche mit der Batteriezelle 10 umgeht (oder mit einer Batterie, welche eine Mehrzahl der Batteriezellen 10 aufweist), von Interesse zu erkennen, ob von Batteriezelle 10 eine Gefährdung ausgeht. Dies kann durch die mit Bezug auf die Figuren beschriebene Batteriezelle 10 erreicht werden.
  • Die Batteriezelle 10 umfasst ein Batteriezellengehäuse 12, welches vorliegend beispielhaft prismatisch ausgebildet ist. Innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 ist ein galvanisches Element 14 angeordnet, welches mit einem jeweiligen elektrochemischen Material beschichtete Ableiter 16, 18 umfasst. Vorliegend sind von das elektrochemisch aktive Material und die Ableiter 16, 18 umfassenden Elektroden des galvanischen Elements 14 zur Vereinfachung lediglich der zu einem ersten elektrischen Anschluss 20 (etwa einem Pluspol) der Batteriezelle 10 führende Ableiter 16 gezeigt und der zu einem zweiten elektrischen Anschluss 22 der Batteriezelle 10 führende Ableiter 18, also der zum Minuspol führende Ableiter 18.
  • Bei der in 1 gezeigten Batteriezelle 10 ist es jedoch möglich, das galvanische Element 14 elektrisch von zumindest einem der Anschlüsse 20, 22 zu trennen. Hierfür ist ein Schaltelement 24 vorgesehen, mittels welchem sich eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter 16 und dem Anschluss 20 unterbrechen lässt, indem das Schaltelement 24 geöffnet wird. Durch Schließen des Schaltelements 24 lässt sich die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter 16 und dem Anschluss 20 wieder herstellen.
  • In analoger Weise kann ein (nicht gezeigtes) zweites Schaltelement vorgesehen, mittels welchem sich die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter 18 und dem Anschluss 22 unterbrechen beziehungsweise herstellen lässt. Das Schaltelement 24, welches beispielsweise als Halbleiterelement ausgebildet sein kann, wird vorliegend von einem Treiberbaustein geschaltet, welcher ebenso wie das Schaltelement 24 innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 angeordnet sein kann.
  • Die Batteriezelle 10 weist eine Indikatoreinrichtung 26 auf, mittels welcher sich der Zustand der Batteriezelle 10 der Person anzeigen lässt, welche mit der Batteriezelle 10 umgeht. Insbesondere der elektrische Zustand, ob also an den Anschlüssen 20, 22 oder Batteriepolen eine Spannung anliegt, kann mittels der Indikatoreinrichtung 26 angezeigt werden. Hierfür brauchen vorteilhaft keine Hilfsmittel wie etwa ein von außen an die Anschlüsse 20, 22 angelegter Voltmeter eingesetzt zu werden. Es kann nämlich etwa der Schaltzustand des Schaltelements 24 mittels der Indikatoreinrichtung 26 nach außen signalisiert werden.
  • So kann beispielsweise durch eine, insbesondere mit einem positiven Symbol 28 versehene, Signallampe 30 oder dergleichen Leuchteinrichtung angezeigt werden, dass das Schaltelement 24 geöffnet ist und so ein gefahrloser Umgang mit der Batteriezelle 10 möglich ist. Die Signallampe 30 kann insbesondere in die Indikatoreinrichtung 26 integriert sein. Das Symbol 28 kann auf eingängige Weise den positiven, weil gefahrlosen Zustand der Batteriezelle 10 verdeutlichen oder auch alternativ zu der Signallampe 30 vorgesehen sein.
  • Auf diese Weise kann beispielsweise auch ein spezieller Modus oder Zustand der Batteriezelle 10 angezeigt werden, etwa ein Transportzustand oder Montagezustand beziehungsweise Produktionszustand, bei welchem durch Öffnen des Schaltelements 24 die Batteriezelle 10 deaktiviert ist.
  • In analoger Weise kann mittels einer weiteren Signallampe 32, welche ebenfalls mit einem Symbol 34 versehen sein kann, als Status oder Zustand der Batteriezelle 10 angezeigt werden, dass das Schaltelement 24 geschlossen ist und daher an den Anschlüssen 20, 22 eine Spannung anliegt. Anstatt die weitere Signallampe 32 vorzusehen kann auch die erste Signallampe 30 in einer anderen Farbe leuchten und/oder es kann ein anderes Symbol 34, beispielsweise ein den gefährlichen Zustand der Batteriezelle veranschaulichendes Symbol 34, auf der Indikatoreinrichtung 26 angezeigt werden.
  • Eine besonders einfach erfassbare Zustandsanzeige kann realisiert werden, wenn dann zusätzlich eine weitere Signallampe 36 vorgesehen ist, welche insbesondere durch ein weiteres Symbol 38 ergänzt sein kann. Hierbei können die drei Signallampen 30, 32, 36 beispielsweise in den Ampelfarben Grün, Gelb und Rot leuchten um unterschiedliche Zustände der Batteriezelle 10 anzuzeigen. Diese Signalfarben können zusätzlich durch das positive Symbol 28, das negative Symbol 34 oder das neutrale Symbol 38 ergänzt sein, um den Zustand der Batteriezelle 10 besonders eingängig zu veranschaulichen. Zusätzlich oder alternativ kann auf der Indikatoreinrichtung 26 ein Text oder dergleichen den Zustand der Batteriezelle 10 angeben.
  • Durch die Verwendung einfacher Signallampen 30, 32, 36 und/oder der Symbole 28, 34, 38 lassen sich jedoch auch etwaige Fehler der Batteriezelle 10 oder sonstige den Zustand der Batteriezelle 10 angebende Informationen gut kommunizieren. So kann beispielsweise die Signallampe 30 mit dem positiven Symbol 28 anzeigen, dass mit der Batteriezelle 10 alles in Ordnung ist, während die Signallampe 32 mit dem negativen Symbol 34 auf einen Fehler oder schlechten Zustand der Batteriezelle 10 hinweisen kann.
  • Mittels der Indikatoreinrichtung 26, welche vorliegend auf dem Batteriezellengehäuse 12 und zwar zwischen den beiden Anschlüssen 20, 22 angeordnet ist, lässt sich jedoch bevorzugt nicht nur feststellen, ob das Schaltelement 24 geschlossen oder geöffnet ist.
  • Wie insbesondere aus 2 hervorgeht, kann nämlich mittels der Indikatoreinrichtung 26 auch festgestellt werden, welche Spannung das galvanische Element 14 bereitstellt. So kann der mit der Batteriezelle 10 umgehenden Person auch eine die Zellspannung betreffende Information übermittelt werden.
  • Bevorzugt ist des Weiteren die Indikatoreinrichtung 26 mit Sensoren 40 gekoppelt, welche eine Vielzahl weiterer die Batteriezelle 10 betreffende Parameter erfassen können. Insbesondere kann eine Temperatur innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 mittels einem der Sensoren 40 erfasst und über die Indikatoreinrichtung 26 signalisiert werden. Durch das Erfassen der Temperatur und/oder eines Drucks mit geeigneten Sensoren 40 lässt sich zudem feststellen, ob sich beispielsweise in der Batteriezelle 10 ein thermisches Durchgehen („thermal runaway”) anbahnt, also beispielsweise ein Brand. Mittels der Indikatoreinrichtung 26 selber und/oder mittels eines der Sensoren 40 lässt sich jedoch auch ein Überladen der Batteriezelle 10 oder ein Tiefentladen derselben feststellen und entsprechend auf der Indikatoreinrichtung 26 zur Anzeige bringen.
  • Die Indikatoreinrichtung 26 oder eine mit der Indikatoreinrichtung 26 gekoppelte elektronische Steuereinheit kann zudem zum Speichern und/oder Auswerten von Daten ausgelegt sein, welche von den Sensoren 40 geliefert werden. Mittels einer solchen intelligenten Batteriezelle („SmartCell”) kann eine Vielzahl weiterer Zustände nach außen signalisiert werden, etwa ein Ladezustand der Batteriezelle 10, ein Gesundheitszustand oder Alterungszustand, eine Anzahl von Ladungszyklen oder Entladungszyklen und dergleichen.
  • Des Weiteren können aktuelle Werte etwa des Innendrucks sowie insbesondere Höchstwerte von in der Vergangenheit innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 aufgetretenen Drücken über die Indikatoreinrichtung 26 nach außen signalisiert werden. Auch das Erfassen und Anzeigen von Spitzenwerten oder Höchstwerten von Beschleunigungen, welchen die Batteriezelle 10 ausgesetzt war, einer Stromstärke, der Temperatur, mechanischen Spannungen und dergleichen können mittels der Indikatoreinrichtung 26 derart kommuniziert werden, dass sie von außerhalb des Batteriezellengehäuses 12 erkennbar sind.
  • Die Bandbreite der mittels einer solchen aktiven Zustandsanzeige in Form der Indikatoreinrichtung 26 bereitstellbaren Informationen ist abhängig von der in die Batteriezelle 10 integrierten Intelligenz, also insbesondere von den mittels der Indikatoreinrichtung 26 und/oder der Sensoren 40 erfassbaren Parameter sowie deren Auswertung. Eine solche Auswertung kann insbesondere durch eine in die Indikatoreinrichtung 26 integrierte Auswerteeinrichtung erfolgen.
  • Insbesondere dadurch, dass mittels der Indikatoreinrichtung 26 angezeigt werden kann, ob das Schaltelement 24 geschlossen ist oder offen, ist ein besonders sicherer Umgang mit der Batteriezelle 10 möglich. Bei offenem Schaltelement 24 ist nämlich die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter 16 und dem Anschluss 20 unterbrochen. Diese Angabe ist insbesondere beim Handhaben der Batteriezelle 10 etwa im Rahmen einer Wartung oder Reparatur der die Batteriezellen 10 umfassenden Batterie von Vorteil.
  • Dasselbe gilt für die Situation eines Unfalls eines die Batterie mit der Mehrzahl der Batteriezellen 10 aufweisenden Kraftfahrzeugs. Auch hier ist es beispielsweise für bergendes Personal von Vorteil, wenn leicht festgestellt werden kann, ob von den Batteriezellen 10 und der Batterie eine Gefährdung ausgeht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010045037 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einem Batteriezellengehäuse (12), in welchem ein galvanisches Element (14) aufgenommen ist, und mit zwei elektrischen Anschlüssen (20, 22), über welche die Batteriezelle (10) mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle der Batterie elektrisch verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) eine Indikatoreinrichtung (26) aufweist, anhand welcher ein Zustand der Batteriezelle (10), welcher von wenigstens einem messtechnisch erfassbaren Parameter der Batteriezelle (10) abhängig ist, von außerhalb des Batteriezellengehäuses (12) erkennbar ist, wobei die Indikatoreinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, eine Änderung des Zustands der Batteriezelle (10) anzuzeigen.
  2. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatoreinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, einen Schaltzustand wenigstens eines Schaltelements (24) anzuzeigen, welches zum Unterbrechen und zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Ableiter (16, 18) des galvanischen Elements (14) und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse (20, 22) ausgebildet ist.
  3. Batteriezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Schaltelement (24) als Halbleiterelement ausgebildet ist, welches mittels eines, insbesondere innerhalb des Batteriezellengehäuses (12) angeordneten, Treiberbausteins schaltbar ist.
  4. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere an einer Außenseite des Batteriezellengehäuses (12), bevorzugt zwischen den beiden Anschlüssen (20, 22), angeordnete, Indikatoreinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, einen Transportzustand und/oder einen Montagezustand und/oder einen Fehler der Batteriezelle (10) anzuzeigen, wobei der Transportzustand und/oder der Montagezustand mittels einer Steuereinheit der Batteriezelle (10) aktivierbar ist.
  5. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatoreinrichtung (26) und/oder zumindest ein mit der Indikatoreinrichtung (26) gekoppelter Sensor (40) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Parameter zu erfassen, welcher – eine Spannung und/oder – eine Temperatur und/oder – eine Stromstärke eines durch die Batteriezelle (10) fließenden Stroms und/oder – einen Druck und/oder – eine mechanische Spannung und/oder – eine Beschaffenheit eines Elektrolyten des galvanischen Elements (14) und/oder – eine Beschleunigung umfasst, wobei die Indikatoreinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, den Zustand der Batteriezelle (10) in Bezug auf den wenigstens einen Parameter anzuzeigen.
  6. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatoreinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Einzelwert, insbesondere einen Spitzenwert, anzuzeigen, welcher – einen Ladezustand der Batteriezelle (10) und/oder – einen Gesundheitszustand der Batteriezelle (10) und/oder – eine Anzahl von Ladevorgängen und/oder Entladevorgängen – eine Temperatur und/oder – einen Druck und/oder – eine Spannung und/oder – eine Stromstärke und/oder – einer mechanischen Spannung und/oder – eine Beschleunigung und/oder – eine Beschaffenheit eines Elektrolyten des galvanischen Elements (14) angibt.
  7. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatoreinrichtung (26) – wenigstens eine Leuchteinrichtung (30, 32, 36) und/oder – einen Bildschirm umfasst und/oder zum Ausgeben – eines akustisch erfassbaren Signals und/oder – eines haptisch erfassbaren Signals ausgebildet ist.
  8. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikatoreinrichtung (26) – zum Verstärken eines mit dem Zustand der Batteriezelle (10) korrelierenden Signals ausgebildet ist und/oder – zum Versorgtwerden mit elektrischer Energie mit dem galvanischen Element (14) und/oder mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere mit einem Kondensator, gekoppelt ist und/oder – zum Empfangen drahtlos übertragener Energie ausgebildet ist.
  9. Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batterie nach Anspruch 9.
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