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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Hochvoltbatterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 und ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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Batteriezellen einer Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug bzw. für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug werden bevorzugt als Lithium-Ionen-Zellen ausgeführt. Unter einem Hochvolt-Bordnetz in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug wird üblicherweise ein Bordnetz mit einer Betriebsspannung von z.B. 60 - 400 Volt bei Betrieb verstanden. Üblicherweise liegt der wirkungsgradoptimale Betriebstemperaturbereich von Hochvoltbatterien im Bereich zwischen ca. 15 - 40 °C. Einerseits könnten die Batteriezellen beschädigt werden, wenn die Temperatur der Batteriezellen zu hoch ist. Andererseits weisen die Batteriezellen als elektrochemische Zellen bei niedrigen Temperaturen eine geringere Kapazität und Leistungsfähigkeit als bei optimaler Betriebstemperatur auf. Aus diesem Grund ist normalerweise ein Temperatursensor an einer Batteriezelle angeordnet, um die Temperatur der Batteriezelle zu messen. Die gemessene Temperaturinformation wird durch eine Signalleitung zu einer in der Hochvoltbatterie befindlichen Steuereinheit übertragen. Die Steuereinheit der Hochvoltbatterie entscheidet dann, ob die aktuelle Temperatur der Batteriezelle in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt.
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1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezelle mit einem Temperatursensor. Die Batteriezelle 1 weist ein Gehäuse 7 und ein sich innerhalb des Gehäuses 7 befindendes Zellinneres 6 auf. Der Temperatursensor 4, der eine Signalleitung 5 aufweist, ist auf einem elektrischen Anschluss 2, bzw. Terminal, der Batteriezelle 1 angeordnet, um die Temperatur des Zellinneren 6 der Batteriezelle zu messen. Die Terminals der Batteriezellen sind üblicherweise als massiver Körper aus Metall (z.B. Kupfer) ausgebildet. Der Temperatursensor 4 ist normalerweise an den elektrischen Anschluss 2 der Batteriezelle 1 formschlüssig angebracht.
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Die Anbringungsstelle des Temperatursensors 4 weist somit eine örtliche Distanz zum Zellinneren 6 auf, dessen Temperatur gemessen werden soll. Da das Terminal 2 und das Gehäuse 7 die Wärmeübertragung zwischen dem Zellinneren 6 und dem Temperatursensor 4 beeinträchtigen können und durch die die Zelle umgebende Luft ein zusätzlicher Wärmeeintrag oder Wärmeaustrag erfolgen kann, kann die aktuelle Temperatur des Zellinneren 6 weder schnell noch genau durch den Temperatursensor 4 gemessen werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstig implementierbare Batteriezelle zu schaffen, die eine genauere und schnelle Messung der aktuellen Temperatur der Batteriezelle, insbesondere des Zellinneren der Batteriezelle, ermöglicht, sowie eine Hochvoltbatterie mit mindestens einer solchen Batteriezelle und ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer solchen Hochvoltbatterie.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 11 bzw. 12 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, wobei auch Kombinationen der einzelnen Anspruchsmerkmale untereinander möglich sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist wenigstens einen elektrischen Anschluss und einen Temperatursensor auf. Der wenigstens eine elektrische Anschluss weist eine Ausnehmung auf, wobei der Temperatursensor ganz oder teilweise in der Ausnehmung angeordnet ist.
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Da der Temperatursensor ganz oder teilweise in der Ausnehmung des elektrischen Anschlusses angeordnet ist, wird die örtliche Distanz zwischen dem Temperatursensor und der Elektrode des Zellinneren im Vergleich zum Stand der Technik verkürzt. Da die Elektrode in unmittelbarem Kontakt mit dem Zellinneren steht und daher im Wesentlichen die gleiche oder eine sehr ähnliche Temperatur wie das Zellinnere aufweist, kann die Temperatur des Zellinneren durch den Temperatursensor über den relativ kurzen wärmeleitenden Pfad zwischen dem Temperatursensor und der Elektrode des Zellinneren schnellstmöglich und sehr genau detektiert werden. Dadurch ist der wärmeleitende Pfad zwischen dem Temperatursensor und dem Zellinneren verkürzt. Durch die Positionierung des Temperatursensors in der Ausnehmung wird zudem der die Temperaturmessung verfälschende Einfluss der Luft im Vergleich zur exponierten Anbringung nach Stand der Technik signifikant reduziert.
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Mit der Erfindung lassen sich die Genauigkeit und Schnelligkeit der Temperaturmessung verbessern und zwar ohne dass hierfür zusätzliche Vorrichtungen erforderlich sind. Außerdem ist der Bauraum der erfindungsgemäßen Batteriezelle nicht vergrößert.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Batteriezelle ein Gehäuse und ein sich innerhalb des Gehäuses befindendes Zellinneres auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ausnehmung ein Sackloch.
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Das Sackloch, in dem der Temperatursensor ganz oder teilweise angeordnet ist, kann an einer beliebigen Stelle an der Oberfläche des elektrischen Anschlusses der Batteriezelle vorgesehen sein.
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Vorzugsweise kann das Sackloch auf einer dem Zellinneren abgewandten Seite des wenigstens einen elektrischen Anschlusses vorgesehen sein.
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Bei dem auf einer dem Zellinneren abgewandten Seite des wenigstens einen elektrischen Anschlusses vorgesehenen Sacklochs kann der wärmeleitende Pfad zwischen dem Temperatursensor und dem Zellinneren im Vergleich zum Stand der Technik relativ kurz sein, so dass die im Zellinneren entstehende Wärme durch einen verbesserten thermischen Kontakt zwischen dem Temperatursensor und dem Zellinneren zum Temperatursensor abgeleitet werden kann. Dadurch ermöglicht die Erfindung ein schnelles Regieren auf die Temperaturänderung im Zellinneren.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ausnehmung ein Durchgangsloch.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich das Durchgangsloch von einer dem Zellinneren abgewandten Seite des wenigstens einen elektrischen Anschlusses bis zu einer dem Zellinneren zugewandten Seite des wenigstens einen elektrischen Anschlusses.
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Durch das Durchgangsloch kann die im Zellinneren entstehende Wärme unmittelbar vom Gehäuse der Batteriezelle zum Temperatursensor übertragen werden, weil das Durchgangsloch einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Temperatursensor und dem Gehäuse ermöglicht. Dadurch erzielt die Erfindung eine genaue und rechtzeitige Temperaturmessung. Daher kann eine Temperaturänderung des Zellinneren auch schnell und genau detektiert werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung steht der Temperatursensor in wärmeleitendem, insbesondere in unmittelbarem wärmeleitendem, Kontakt mit dem wenigstens einen elektrischen Anschluss.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung steht der Temperatursensor in wärmeleitendem, insbesondere in unmittelbarem wärmeleitendem, Kontakt mit dem Gehäuse.
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Dadurch kann die im Zellinneren entstehende Wärme unmittelbar vom Gehäuse der Batteriezelle zum Temperatursensor übertragen werden.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse auch eine Ausnehmung auf. Der Temperatursensor ist teilweise in der Ausnehmung angeordnet.
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Die Ausnehmung am Gehäuse der Batteriezelle dient zur Vorpositionierung sowie zur Vorfixierung des Temperatursensors. Die Ausnehmung am Gehäuse ermöglicht auch, die Temperatur weiter näher am Zellinneren zu messen. Die Messgenauigkeit kann daher verbessert werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Batteriezelle eine Elektrode auf, welche das Zellinnere elektrisch mit dem wenigstens einen elektrischen Anschluss verbindet.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ferner eine Hochvoltbatterie mit wenigstens einer obengenannten Batteriezelle vor.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ferner ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit wenigstens einer obengenannten Hochvoltbatterie vor.
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Vorteilhaft ist die Distanz zwischen dem Temperatursensor und dem Zellinneren im Vergleich mit dem Stand der Technik verkürzt. Der Temperatursensor kann in unmittelbarem Wärmekontakt mit dem Gehäuse der Batteriezelle stehen. Da der Wärmekontakt zwischen dem Temperatursensor und dem Zellinneren bzw. der Elektrode des Zellinneren optimiert ist, kann die aktuelle Temperatur und die Temperaturänderung des Zellinneren genau und schnell detektiert werden. Daher können die Genauigkeit und Schnelligkeit bzw. Rechtzeitigkeit der Temperaturmessung verbessert werden, ohne zusätzliche Vorrichtungen bzw. Messgeräte einzusetzen.
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Da der Temperatursensor ganz oder teilweise in der Ausnehmung aufgenommen ist, kann die Ausnehmung auch zur Vorpositionierung und Vorfixierung des Temperatursensors dienen. Daher erleichtert sich die Anbringung des Temperatursensors. Außerdem kann die Ausnehmung auch dazu dienen, den Temperatursensor an die Batteriezelle zu befestigen, weil der Temperatursensor in der Ausnehmung des elektrischen Anschlusses versenkt ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezelle mit Temperatursensor; und
- 2 eine Batteriezelle mit Temperatursensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das nachfolgend in 2 erläuterte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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2 zeigt eine Batteriezelle 10, die zwei elektrischen Anschlüsse, von denen hier nur der elektrische Anschluss 11 zu erkennen ist, ein Gehäuse 17 und ein sich innerhalb des Gehäuses 17 befindendes Zellinneres 16 aufweist. Im Zellinneren finden chemische Reaktionen statt, wobei chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Batteriezelle 10 weist eine Elektrode 19 auf. Die Elektrode 19 erstreckt sich vom dem Zellinneren 16 zu dem elektrischen Anschluss 12, um das Zellinnere 16 elektrisch mit dem elektrischen Anschluss 12 zu verbinden.
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Da Ströme über die Elektrode 19 der Batteriezelle 10 fließen, kann die Temperatur der Elektrode 19 durch die Ströme beeinflusst werden. Dies kann zu einer ungenauen Temperaturmessung des Zellinneren führen, wenn der Temperatursensor unmittelbar oder sehr nah zu der Elektrode 19 angeordnet ist. Deswegen soll der Temperatursensor nicht mit der Elektrode 19 in unmittelbarem Kontakt stehen, um eine ungewünschte Beeinflussung durch den über die Elektrode 19 fließenden Strom zu vermeiden.
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Eine Ausnehmung 13 bzw. ein Loch bzw. ein Durchgangsloch ist in einem elektrischen Anschluss 12 der Batteriezelle 10 vorgesehen. Ein Temperatursensor 14, der eine Signalleitung 15 aufweist, ist in der Ausnehmung 13 des elektrischen Anschlusses 12, d.h. des Terminals, der Batteriezelle 10 angeordnet, um die Temperatur der Batteriezelle 10 bzw. des Zellinneren 16 zu messen. Der elektrische Anschluss 12 der Batteriezelle 10 ist als massiver Körper aus Metall (z.B. Kupfer) ausgeprägt. Der Temperatursensor 14 ist durch über einen Stoff- oder Form- oder Kraftschluss, z.B. Schweißen oder Kleben, in der Ausnehmung 13 des elektrischen Anschlusses 12 angeordnet bzw. darin fixiert. Die Batteriezelle 10 kann einen weiteren elektrischen Anschluss (nicht gezeigt) aufweisen.
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Die gemessene Temperaturinformation kann durch die Signalleitung 15 zu der Steuereinheit der Hochvoltbatterie (nicht gezeigt) übertragen werden. Damit kann die Steuereinheit der Hochvoltbatterie entscheiden, ob die aktuelle Temperatur der Batteriezelle in einem vorbestimmten Temperaturbereich liegt. Je genauer und schneller die aktuelle Temperatur detektiert werden kann, desto optimaler kann die Batteriezelle entsprechend der aktuellen Temperatur der Batteriezelle 10 gesteuert werden, so dass die Leistungs- und Lebensdauervorteile der Batteriezellen erzielt werden können.
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Wie in 2 dargestellt kann die Ausnehmung 13 ein Durchgangsloch sein, wobei das Durchgangsloch sich von einer dem Zellinneren 16 abgewandten Seite, d.h. von der Oberseite des elektrischen Anschlusses 12, bis zu einer dem Zellinneren 16 zugewandten Seite, d.h. bis zur Unterseite des elektrischen Anschlusses 12, erstreckt. Der Temperatursensor 14 kann ganz oder teilweise im Durchgangsloch angeordnet werden und in wärmeleitendem, insbesondere in unmittelbarem wärmeleitendem, Kontakt mit dem Gehäuse 16 und mit dem elektrischen Anschluss 12 stehen.
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Vorzugsweise sind die Öffnungen des Durchgangslochs auf einer dem Zellinneren 16 abgewandten Seite, d.h. der Oberseite, und einer dem Zellinneren 16 zugewandten Seite, d.h. der Unterseite des elektrischen Anschlusses 12, vorgesehen. Die Öffnung des Durchgangslochs kann jedoch auch auf einer beliebigen Stelle z.B. der seitlichen Oberfläche des elektrischen Anschlusses 12 vorgesehen sein.
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Dadurch ist der Temperatursensor 14 sehr nah zum Zellinneren 16 angebracht. Das Durchgangsloch des elektrischen Anschlusses 12 verkürzt die Distanz zwischen dem Temperatursensor 14 und dem Zellinneren 16. Der Temperatursensor 14 steht in unmittelbarem Wärmekontakt mit dem Gehäuse der Batteriezelle. Dadurch kann die im Zellinneren 16 entstehende Wärme unmittelbar vom Gehäuse der Batteriezelle zum Temperatursensor übertragen werden. Da der Wärmekontakt zwischen dem Temperatursensor und dem Zellinneren im Vergleich mit dem Stand der Technik in 1 optimiert wird, kann die Temperatur bzw. aktuelle Temperaturänderung des Zellinneren genauer und schneller ohne zusätzliche Hilfsmittel oder Messgeräte detektiert werden.
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Es ist nicht zwingend, das Durchgangsloch in einer Längsrichtung senkrecht zu dem Deckelteil der Batteriezelle 10 anzuordnen. Das Durchgangsloch kann auch an einer beliebigen Stelle an der Oberfläche des elektrischen Anschlusses 12 vorgesehen sein.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse 17 auch eine Ausnehmung 18 auf. Die Ausnehmung 18 ist derart angeordnet, dass der Temperatursensor 14 wie in 2 gezeigt sowohl teilweise im Durchgangsloch bzw. in der Ausnehmung 18 angeordnet ist, als auch teilweise in der Ausnehmung 18 ragt.
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Durch die Ausnehmung 18 am Gehäuse 17 der Batteriezelle 10 wird die Distanz bzw. der wärmeleitende Pfad zwischen dem Temperatursensor 14 und dem Zellinneren 16 verkürzt. Die im Zellinneren 16 entstehende Wärme kann daher sehr schnell zum Temperatursensor 14 übertragen werden. Dadurch kann nicht nur die Temperatur des Zellinneren 16 sondern auch eine aktuelle Temperaturänderung genau und schnell gemessen werden.
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Außerdem dient die Ausnehmung 18 am Gehäuse 17 zur Vorpositionierung sowie zur Vorfixierung des Temperatursensors 14 bei dem Zusammenbau bzw. der Herstellung einer Batteriezelle.
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Alternativ kann die Ausnehmung 13 ein Sackloch sein. Vorzugsweise ist die Öffnung des Sacklochs auf einer dem Zellinneren 16 abgewandten Seite d.h. der Oberseite des elektrischen Anschlusses 12 vorgesehen, welche die Anordnung des Sensors erleichtern kann. Die Öffnung des Sacklochs kann jedoch auch auf z.B. der seitlichen Oberfläche oder der Unterseite des elektrischen Anschlusses 12 vorgesehen sein. Der Temperatursensor 14 ist ganz oder teilweise im Sackloch angeordnet. Daher wird die Distanz bzw. der wärmeleitende Pfad zwischen dem Temperatursensor 14 und dem Zellinneren 16 verkürzt. Auch bei dieser Variante kann der Temperatursensor 14 die Temperatur sowie die Temperaturänderung der Batteriezelle 10 genau und schnell detektieren.
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Außerdem dient die Ausnehmung 13 dazu, den Temperatursensor 14 beim Zusammenbau bzw. bei der Herstellung der Batteriezelle zu positionieren. Mit Hilfe der Ausnehmung 13 kann der Temperatursensor 14 präzise und auf einfache Weise an der gewünschten Anbringungsstelle angeordnet werden.
