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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit einem Gehäuse und darin angeordneten Elektroden, wobei die Elektroden aktive Schichten und metallische Stromableiter aufweisen. Die elektrochemische Zelle weist darüber hinaus zumindest ein elektronisches Bauteil auf.
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Eine für Hochleistungs-/Hochenergieanwendungen verwendete elektrochemische Zelle, beispielsweise Li-Ionen-Zelle besteht zurzeit üblicherweise aus einem Metall-Gehäuse („Can“), den Aktivmaterialien auf stromleitenden Folien (z. B. „Jelly-Roll“), Stromkollektoren und einem Elektrolyt. Eine Elektronik zur Steuerung der Batterie liegt bei Hochleistungs-/Hochenergiezellen, wie sie etwa in der Elektromobilität eingesetzt werden, üblicherweise zentral als Batteriemanagementsystem vor. Vor allem für kleinere Zellformate (z. B. vom Typ 18650 oder in Batteriepacks für Mobilfunkanwendungen) sind Ausführungen bekannt, bei denen eine Zellelektronik mechanisch aufwändig an jeder Zelle montiert wird, was nachteilig ist.
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WO 2014/023725 A1 zeigt ein Gehäuse (Hardcase) für eine Lithium-Ionenbatterie mit einem metallischen Gehäusedeckel, wobei der Gehäusedeckel außen und innen ein auf einer Metallkernleiterplatte (MCPCB) angeordnetes elektronisches Bauteil aufweist. Der Gehäusedeckel, insbesondere aus Aluminium oder Edelstahl, kann dabei einen Teil der Metallkernleiterplatte bilden. Über eine dielektrische Schicht, beispielsweise einen elektrisch isolierenden, aber thermisch gut leitfähigen Kleber, wird eine Epoxyd-Glasfasergewebe-(FR4)-Leiterplatte aufgebracht, die einen Teil des elektronischen Bauteils bildet.
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DE 600 28 247 T2 zeigt eine Batterie mit einem Gehäuse für eine elektrische Schaltung, wobei eine elektrochemische Zelle und das die elektronische Schaltung enthaltende Gehäuse in einem gemeinsamen Behälter angeordnet sind. Für die Aufnahme der elektronischen Schaltung ist ein separates Fach in dem Behälter vorgesehen. Die Batterie kann als Rundzelle ausgebildete Lithium-Ionen-Zellen aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle mit einem Gehäuse und darin angeordneten Elektroden, wobei die Elektroden aktive Schichten und metallische Stromableiter aufweisen, ist vorgesehen, dass die elektrochemische Zelle zumindest ein elektronisches Bauteil aufweist, das eine Basisschicht aufweist, die durch einen der metallischen Stromableiter der Elektroden oder durch eine Seiten- oder Bodenwand des Gehäuses gebildet ist.
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Die Basisschicht ist daher erfindungsgemäß das Gehäuse selbst, z. B. Aluminiumgehäuse oder der Stromableiter selbst, z. B. Stromableiter aus Kupfer
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Mit anderen Worten wird die Zellelektronik direkt in den metallischen Stromableiter der Elektroden, die Seiten- oder die Bodenwand des Gehäuses der Zelle integriert, indem als Basisschicht, welche auch als Trägerschicht bezeichnet werden kann, die Seitenwand, die Bodenwand oder der metallische Stromableiter der Zelle genutzt wird. Dadurch entfällt eine Leiterplatte als zusätzliches Einzelteil der Zelle sowie die gesamte Mechanik, welche zum Anbringen der Leiterplatte notwendig wäre.
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Da das Gehäuse und die Stromableiter einen festen Bestandteil der Zellelektronik bilden, wird die Zellelektronik, z. B. eine Leistungselektronik und/oder eine Sensorik, unmittelbar zum Bestandteil der Batteriezelle und mit dieser untrennbar verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektronische Bauteil eine Sensorik der elektronischen Zelle auf, insbesondere Spannungs- und Temperatursensoren, CSCs (Cell Supervision Circuits), welche die Spannungs- und Temperaturdaten verarbeiten, aber auch Drucksensoren oder Expansionssensoren. Es kann vorgesehen sein, dass die gesamte Leistungselektronik und die gesamte Sensorik zur Steuerung der Batteriezelle in dem elektronischen Bauteil untergebracht sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet das elektronische Bauteil entsprechend einen Teil eines Batteriemanagementsystems.
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Das elektronische Bauteil weist zumindest eine dielektrische Schicht und zumindest eine elektronische Schaltung auf. Der Aufbau umfasst damit die Basisschicht, die darauf angeordnete dielektrische Schicht, welche auch als Dielektrikum oder als dielektrische Isolierschicht bezeichnet werden kann, und aus der darauf angeordneten elektronischen Schaltung, welche die Leistungselektronik und/oder die Sensoren umfasst. Die elektronische Schaltung umfasst außerdem beispielsweise Kupferbahnen in den benötigten Dicken für Signalleitungen oder für die Leistungsübertragung. Möglich ist ein einlagiger oder ein mehrlagiger Aufbau von dielektrischer Schicht und elektronischer Schaltung auf einer Seite der Basisschicht oder beidseitig. Die dielektrische Schicht besteht vorzugsweise aus Keramik und ist zwischen 2 und 200 µm, d. h. einige µm dick. Die dielektrische Schicht wird auf die Basisschicht laminiert und wäre in dieser Dicke alleine nicht tragfähig für die elektronische Schaltung. Das Gesamtkonstrukt aus Basisschicht, dielektrischer Schicht und elektronischer Schaltung kann als Metallkernleiterplatte betrachtet werden.
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Die dielektrische Schicht weist zudem Durchkontaktierungen zur Basisschicht auf. Mit Hilfe der Durchkontaktierungen werden Funktionen realisiert, wie z. B. eine Verbindung zur Versorgungsspannung, insbesondere wenn die Basisschicht durch den Stromkollektor gebildet ist, oder eine Verbindung zur Masse, insbesondere wenn die Basisschicht durch das Gehäuse gebildet ist.
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Die elektrochemische Zelle kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle sein und einen flüssigen Elektrolyt umfassen. Alternativ kann die elektrochemische Zelle eine Lithium-Luft-Zelle oder eine Lithium-Schwefel-Zelle sein.
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Für den Fall, dass die elektrochemische Zelle einen flüssigen Elektrolyt aufweist und dass das elektronische Bauteil, insbesondere die elektronische Schaltung, im Inneren der elektrochemischen Zelle angeordnet ist, ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektronische Schaltung gegen ein Eindringen des Elektrolyts geschützt ist, beispielsweise mittels einer Verkapselung, einer Trennwand oder dergleichen.
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Für den Fall, dass das Gehäuse als ein metallisches Gehäuse ausgeführt ist, ist bevorzugt vorgesehen, dass das elektronische Bauteil wärmeleitend mit dem Gehäuse verbunden ist, beispielsweise mit einer Deckelwand des Gehäuses. Hierdurch entfallen eventuell notwendige spezielle Kühlmaßnahmen für die Leistungselektronik und/oder Sensorik, da diese Funktion von dem Gehäuse, beispielsweise von der Deckelwand, erfüllt wird, z.B. durch Wärmeleitung auf eine externe Kühlplatte, durch Exponierung gegenüber einem Fluidstrom oder Ähnliches.
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Das elektronische Bauteil kann batteriebetrieben ausgebildet sein, d.h. mit einer gesonderten eigenen Batterie ausgestattet sein, oder mit beiden elektronischen Stromleitern elektrisch verbunden sein. In dem Fall, dass das elektronische Bauteil außerhalb des Zellinneren angeordnet ist, kann es auch durch Kabelverbindungen mit einer externen Stromquelle verbunden sein. Für den Fall, dass das elektronische Bauteil im Zellinneren angeordnet ist, kann eine Kabeldurchleitung durch das Zellgehäuse vorgesehen sein. Alternativ und bevorzugt werden die beiden metallischen Stromableiter kontaktiert bzw. ein Stromableiter und die Gehäusewand, falls diese mit einem Stromableiter auf einem gemeinsamen Potenzial liegt.
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Für den Fall, dass das elektronische Bauteil im Zellinneren angeordnet ist, ist bevorzugt vorgesehen, dass das elektronische Bauteil zur kabellosen Kommunikation mit einem Steuergerät eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Kommunikation auch über die Stromwege erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, welches zumindest eine derartige elektrochemische Zelle aufweist, welche mit einem Antriebssystem des Fahrzeugs verbunden ist. Das Fahrzeug kann als Elektrofahrzeug ausgestattet sein und ein ausschließlich elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestaltet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. Das Hybridfahrzeug kann als sogenanntes PHEV, d.h. Plug-in Hybrid Electric Vehicle, ausgestaltet sein, bei welchem die Batterie über das externe Stromnetz aufladbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann.
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Die Begriffe „Batterie“ und „batteriebetrieben“ werden in der vorliegenden Beschreibung wie im allgemeinen Sprachgebrauch üblich auch für Akkumulator bzw. akkumulatorbetrieben verwendet. In der Batterie können mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Modulen verschaltet verwendet werden, um die geforderten Leistungsdaten bereitstellen zu können. Die elektrochemische Zelle wird auch kurz als Zelle bezeichnet.
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Vorteile der Erfindung
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Mit der Erfindung wird eine Möglichkeit aufgezeigt, mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine Elektronik in den Aufbau der Batteriezelle zu integrieren. Die Erfindung findet Anwendung insbesondere bei in der Elektromobilität verwendeten Hochleistungs- und/oder Hochenergiezellen.
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Durch die Integration der Zellelektronik in das Gehäuse oder in einen der Stromableiter der Zelle vereinfacht sich im Vergleich zu einer Ausführung als herkömmliche Batteriezelle mit herkömmlicher Elektronik auf einer Leiterplatte die Fertigung der Batteriezellen. Insbesondere entfällt eine zusätzliche Montage von Leiterplatten, Halterungs- und Verbindungsteilen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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3 einen Längsschnitt durch eine elektrochemische Zelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
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4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle gemäß einer weiteren Ausführungsform 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 Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponente verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1 ist eine elektrochemische Zelle 2 in einem Längsschnitt dargestellt. Die elektrochemische Zelle 2 umfasst ein Gehäuse 4 mit einer Deckelwand 6, einer schmalen Seitenwand 8, einer unterhalb der Schnittebene gelegenen breiten Seitenwand 10 und einer Bodenwand 12.
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Die elektrochemische Zelle 2 umfasst ein Terminal 16, welches im Bereich der Deckelwand 6 angeordnet ist. Über das Terminal 16 erfolgt die externe Stromabnahme und -zufuhr der elektrochemischen Zelle 2.
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Das Terminal 16 ist elektrisch leitend mit einem metallischen Stromableiter 18 verbunden, welcher einer Elektrode (nicht dargestellt) der elektrochemischen Zelle 2 zugeordnet ist. Der metallische Stromableiter 18 fungiert als Basisschicht für ein elektronisches Bauteil 20. Das elektronische Bauteil 20 umfasst neben der Basisschicht eine dielektrische Schicht 22, welche zur Isolation dient.
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Das elektronische Bauteil 20 umfasst außerdem eine elektronische Schaltung 24, welche auf der dielektrischen Schicht 22 angeordnet ist, und welche eine Sensorik und/oder eine Leistungselektronik, beispielsweise auch einen CSC der elektrochemischen Zelle 2 aufweist. Das elektronische Bauteil 20 kann einen Teil eines Batteriemanagementsystems bilden.
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Des Weiteren kann das elektronische Bauteil 20, insbesondere die elektronische Schaltung 24, Vorrichtungen zur kabellosen Kommunikation mit einem Steuergerät umfassen, was nicht dargestellt ist.
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Die elektronische Schaltung 24 ist mittels einer Schutzschicht 26 gegenüber einem in der elektrochemischen Zelle 2 befindlichen flüssigen Elektrolyt (nicht dargestellt) geschützt. Damit ist die elektronische Schaltung 24 dem flüssigen Elektrolyt nicht direkt ausgesetzt. Die Schutzschicht 26 kann beispielsweise eine Vergussmasse sein, oder wird mittels Beschichtungstechniken wie Sprühbeschichten, Sputtern, CVD, PVD oder Ähnlichem erzeugt.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 2, wobei diese in einem Querschnitt dargestellt ist, so dass die schmale Seitenwand 8 parallel zur Schnittebene bzw. Zeichenebene liegt. Auf der Seite einer der breiten Seitenwände 10 ist das elektronische Bauteil 20 im Inneren der elektrochemischen Zelle 2, das heißt im Inneren des Gehäuses 4 vorgesehen, wobei eine der breiten Seitenwände 10 die Basisschicht bildet. Das elektronische Bauteil 20 mit der dielektrischen Schicht 22 und der elektronischen Schaltung 24 ist wiederum gegenüber dem Elektrolyten mittels der Schutzschicht 26 verkapselt, wobei die Schutzschicht 26 in diesem Fall eine Trennwand bildet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das elektronische Bauteil 20 lediglich beispielhaft über die gesamte Ausdehnung der breiten Seitenwand 10. Alternativ hierzu kann es in einem lokal begrenzten Bereich angeordnet sein.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 2, wobei das elektronische Bauteil 20 von außen an der schmalen Seitenwand 8 angeordnet ist. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform ist keine extra Schutzschicht 26 vorgesehen. Zwischen der schmalen Seitenwand 8 und der elektronischen Schaltung 24 befindet sich die dielektrische Schicht 22.
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Die elektronische Schaltung 24 erstreckt sich wiederum lediglich beispielhaft über die gesamte Ausdehnung der schmalen Seitenwand 8. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ausdehnung des elektronischen Bauteils 20 kleiner ist als die Abmessungen der schmalen Seitenwand 8.
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4 zeigt die elektrochemische Zelle 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei das elektronische Bauteil 20 der Bodenwand 12 zugeordnet ist. Die Basisschicht des elektronischen Bauteils 20 wird dabei durch die Bodenwand 12 gebildet. Der Aufbau des elektronischen Bauteils 20 entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug zu 1 beschriebenen, so dass das elektronische Bauteil 20 die dielektrische Schicht 22 und die elektronische Schaltung 24 umfasst, welche mittels der Schutzschicht 26 verkapselt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handels liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/023725 A1 [0003]
- DE 60028247 T2 [0004]
