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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Batteriezellensystem für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriezellsystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem gattungsgemäßen Batteriezellensystem.
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Elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge weisen zumeist eine Batterie zum Aufnehmen, Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie auf. Als Batterie kommen insbesondere sogenannte Batteriezellensysteme zum Einsatz. Herkömmliche Batteriezellensysteme für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge weisen eine Vielzahl von Batteriezellen auf, welche über ihre Ableiter miteinander verschaltet sind. Ferner weisen Batteriezellensysteme eine Leistungselektronik auf, welche oftmals auch ein Batteriemanagementsystem (BMS) zum Steuern sowie Überwachen des Batteriezellsystems aufweist.
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Für Batteriezellensysteme haben sich Batteriezellen auf Li-lon Basis als besonders vorteilhaft bewährt. Derartige Batteriezellen weisen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte sowie einen relativ geringen Verschleiß auf.
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Herkömmliche zylindrische bzw. prismatische Zellen auf Li-lon Basis weisen eine zylindrische bzw. prismatische Bauform mit einer starren Zellwandung auf. Modernere Batteriezellen für Kraftfahrzeuge sind immer häufiger als sogenannte Pouchzellen ausgebildet. Pouchzellen weisen zum Aufnehmen, Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie einen Aktivteil auf, welcher innerhalb eines durch eine flexible Zellwandung gebildeten Zellinnenraums angeordnet ist. Der Aktivteil ist über Ableiter mit anderen Pouchzellen verschaltbar. Die Zellwandung weist Verbindungsnähte, wie beispielsweise Schweißnähte oder Klebenähte, zum Versiegeln des Zellinnenraums auf.
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Batteriezellen unterliegen einer fortlaufenden Alterung, welche durch unsachgemäßen Gebrauch, wie beispielsweise Kurzschluss, Tiefenentladung, Überhitzung, hohe Entladeströme oder dergleichen beschleunigbar ist. Bei der Alterung einer Batteriezelle laufen chemische Reaktionen zwischen Elektroden und einem Elektrolyten der Batteriezelle ab. Hierdurch bilden sich Gase innerhalb der Batteriezelle, und es kommt somit zu einem Druckanstieg innerhalb der Batteriezelle.
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Bei herkömmlichen zylindrischen oder prismatischen Zellen ist die Zellwandung verhältnismäßig starr ausgebildet, sodass ein Druckanstieg innerhalb der Batteriezelle zunächst zu einer Erhöhung der mechanischen Spannung innerhalb der Zellwandung führt. Zur Vermeidung eines Überdrucks innerhalb der Batteriezelle, welcher im Extremfall zu einem Bersten der Zellwandung führen kann, weisen derartige Batteriezellen oftmals ein Überdruckventil auf, um bei einem kritischen Überdruck Gase aus der Batteriezelle abzulassen.
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Bei Pouchzellen ist die Zellwandung aus einem flexibleren Material, wie beispielsweise einer mit einem Isolator, insbesondere einem Kunststoff, beschichteten Metallfolie, insbesondere einer Alufolie, ausgebildet, sodass ein Ansteigen eines Drucks innerhalb der Batteriezelle zu einer Ausdehnung der Batteriezelle führt. Herkömmliche Verbindungsnähte von Pouchzellen können einem mit zylindrischen Zellen vergleichbaren Überdruck nicht standhalten. Daher weisen Pouchzellen üblicherweise keine Überdruckventile auf. Gleichwohl ist es von großer Bedeutung, ein Versagen der Verbindungsnähte zuverlässig zu detektieren, da offene Batteriezellen schnell austrocknen und durch ihren immer größer werdenden Innenwiderstand ein komplettes Batteriezellensystem negativ beeinflussen.
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Aus den Druckschriften
US 2012/0133521 A1 und
US 2018/0287223 A1 sind Batteriezellensysteme auf Basis von gestapelten Pouchzellen bekannt, bei welchen mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) eine Veränderung einer Krümmung einer Pouchzelle ermittelbar ist. Auf diese Weise ist die Anhäufung von Gasen innerhalb der Pouchzelle detektierbar. Die
US 2013/0330577 A1 offenbart ein Batteriezellensystem mit einem Stapel von Pouchzellen, bei welchem Zustandsvariablen der Pouchzellen ermittelt und mittels einer Druckvorrichtung ein externer Druck auf den Stapel ausgeübt wird, um somit eine Leistungsfähigkeit des Batteriezellensystems zu steigern.
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Bekannte Batteriezellen sowie Batteriezellensysteme haben den Nachteil, dass eine Überwachung sehr aufwendig ist. Zudem sind gängige Methoden zur Bestimmung einer Wölbung der Zellwandung nur unzureichend dazu ausgebildet, ein bevorstehendes bzw. akutes Versagen der Verbindungsnähte zu detektieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Batteriezelle, einem Batteriezellensystem sowie einem Kraftfahrzeug zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Batteriezelle für ein Batteriezellensystem für ein Kraftfahrzeug, ein Batteriezellensystem für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriezellensystem zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Ermittlung einer Alterung der Batteriezelle ermöglichen und/oder eine Vorhersage über ein bevorstehendes Versagen der Verbindungsnähte zu verbessern.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch ein Batteriezellensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 7 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriezellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Batteriezelle für ein Batteriezellensystem für ein Kraftfahrzeug gelöst. Die Batteriezelle weist einen Aktivteil, eine flexible Zellwandung und einen Ableiter zum Leiten elektrischen Stroms zwischen dem Aktivteil und einer Umgebung der Batteriezelle auf. Der Aktivteil ist zum Aufnehmen, Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie ausgebildet. Die Zellwandung bildet einen Zellinnenraum, wobei der Aktivteil innerhalb des Zellinnenraums angeordnet ist. Die Zellwandung weist zum Bilden des Zellinnenraums eine Verbindungsnaht auf. Erfindungsgemäß weist die Batteriezelle einen ersten Kondensator mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einem ersten Dielektrikum auf, wobei das erste Dielektrikum zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind derart ausgebildet sowie angeordnet, dass eine Ausdehnung des Zellinnenraums eine Veränderung eines Abstands zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode bewirkt.
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Der Aktivteil basiert vorzugsweise auf der Li-Ionen Technologie oder ist gemäß eines Li-Ionen Akkus aufgebaut. Mittels einer Ladevorrichtung ist der Aktivteil über den Ableiter mit elektrischer Ladung aufladbar. Hierbei wird elektrische Energie in chemische Energie des Aktivteils umgewandelt. Diese chemische Energie ist mittels des Aktivteils unter verhältnismäßig geringen Verlusten speicherbar. Zum Bereitstellen der elektrischen Energie ist der Aktivteil endladbar. Beim Entladen des Aktivteils ist die chemische Energie wieder in elektrische Energie umwandelbar und über den Ableiter aus dem Aktivteil herausführbar.
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Vorzugsweise weist die Batteriezelle einen Ableiter für den Pluspol und einen Ableiter für den Minuspol auf. Die Ableiter sind vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten der Batteriezelle angeordnet und weisen vorzugsweise voneinander weg. Der Ableiter weist vorzugsweise ein Material auf, welches eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bevorzugte Materialien für den Ableiter sind Kupfer, Aluminium oder dergleichen. Der Ableiter ist vorzugsweise im Bereich der Verbindungsnaht angeordnet. Vorzugsweise verläuft die Verbindungsnaht über den Ableiter.
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Ein Aktivteil auf Basis der Li-Ionen Technologie hat den Vorteil, dass dieser verhältnismäßig schnell aufladbar ist. Zudem ist ein Zwischenladen des Aktivteils ohne nennenswerten Kapazitätsverlust durchführbar. Überdies hat die Li-lon Technologie gegenüber der herkömmlichen Säure-Blei Technologie den Vorteil einer höheren Energiedichte und somit einer höheren Gesamtkapazität pro Volumeneinheit. Dies ist insbesondere bei begrenztem Bauraum von Vorteil.
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Die flexible Zellwandlung weist vorzugsweise ein nichtleitendes Material, wie beispielsweise Plastik, auf. Vorzugsweise weist die flexible Zellwandung eine Metallfolie, insbesondere Alufolie, auf. Die Metallfolie ist vorzugsweise mit dem nichtleitenden Material von einer oder beiden Seiten beschichtet. Das nichtleitende Material ist vorzugsweise dem Zellinnenraum zugewandt. Die flexible Zellwandung ist bei einer neuen Batteriezelle vorzugsweise den Aktivteil umschmiegend angeordnet. Die Zellwandung ist ausgebildet, mit der Entstehung von Zellgasen sich vom Aktivteil abzuheben und somit den Zellinnenraum zu vergrößern.
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Die Verbindungsnaht ist vorzugsweise umlaufend ausgebildet. Dabei ist es bevorzugt, dass die Zellwandung ein Oberteil und ein vom Oberteil separates Unterteil aufweist, welche mittels der, insbesondere umlaufenden, Verbindungsnaht miteinander verbunden sind. In diesem Fall weisen vorzugsweise vier Seiten der Batteriezelle die Verbindungsnaht auf. Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die Zellwandung ein Oberteil und ein Unterteil aufweist, welche einen gemeinsamen, um eine Biegeachse umgebogenen Grundkörper aufweisen. In diesem Fall weisen vorzugsweise drei Seiten der Batteriezelle die Verbindungsnaht auf. Vorzugsweise ist die Verbindungsnaht als Schweißnaht, Klebenaht oder dergleichen ausgebildet.
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Erfindungsgemäß weist die Batteriezelle den ersten Kondensator mit der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und dem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten Dielektrikum auf. Dabei sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart an der Batteriezelle angeordnet, dass eine Ausdehnung des Zellinnenraums den Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode verändert. Vorzugsweise sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart an der Batteriezelle angeordnet, dass die Ausdehnung des Zellinnenraums den Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode vergrößert. Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode sind dabei vorzugsweise in einem Bereich der Batteriezelle angeordnet, welcher erwartungsgemäß die größte Ausdehnung des Zellinnenraums aufweist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Elektrode und/oder zweite Elektrode im Bereich der Verbindungsnaht, insbesondere neben der Verbindungsnaht, angeordnet ist.
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Eine Vergrößerung des Zellinnenraums kann beispielsweise aufgrund der Alterung der Batteriezelle erfolgen. Infolge der Alterung entstehende Gase breiten sich im Zellinnenraum aus und erhöhen somit einen Druck innerhalb des Zellinnenraums. Infolge dieser Druckerhöhung gibt die Zellwandung nach und wird verdrängt, sodass hierdurch der Zellinnenraum vergrößert wird.
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Die erste Elektrode und/oder zweite Elektrode weist vorzugsweise ein Material mit einer besonders hohen elektrischen Leitfähigkeit auf, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder dergleichen. Die erste Elektrode und/oder zweite Elektrode ist vorzugsweise derart flexibel ausgebildet, einer Formänderung der Zellwandung zu folgen bzw. im Wesentlichen zu folgen. Daher ist die erste Elektrode und/oder zweite Elektrode vorzugsweise folienartig ausgebildet. Das Dielektrikum weist vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material auf. Der erste Kondensator ist vorzugsweise an ein Batteriemanagementsystem (BMS) anschließbar, sodass mittels des BMS eine Veränderung einer Kapazität des ersten Kondensators ermittelbar und hieraus eine Ausdehnung des Zellinnenraums bzw. eine Alterung der Batteriezelle bestimmbar ist. Zudem ist auf diese Weise eine Ansteuerung der Batteriezelle durch das BMS beeinflussbar. Vorzugsweise ist die erste Elektrode auf einer Oberseite der Verbindungsnaht angeordnet, die zweite Elektrode auf einer Unterseite der Verbindungsnaht angeordnet und das erste Dielektrikum durch die Verbindungsnaht gebildet. Hierdurch ist ein Versagen der Verbindungsnaht besonders vorteilhaft ermittelbar.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle hat gegenüber herkömmlichen Batteriezellen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Vergrößerung des Zellinnenraums und somit der Alterung der Batteriezelle ermittelbar ist. Der erste Kondensator ist leicht herstellbar, weist eine hohe Beständigkeit auf, und Kapazitätsveränderungen des ersten Kondensators aufgrund der Ausdehnung des Zellinnenraus sind genau sowie zuverlässig ermittelbar. Auf diese Weise ist die Batteriezelle mittels eines Batteriemanagementsystems besonders bedarfsgerecht ansteuerbar. Ferner ist ein unbeabsichtigtes Aufreißen der Verbindungsnaht bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle und ein hiermit verbundenes schnelles Austrocknen der Batteriezelle leicht verhinderbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Batteriezelle vorgesehen sein, dass das erste Dielektrikum durch die Zellwandung gebildet ist. Demnach ist die Zellwandung derart elektrisch isolierend ausgebildet, dass ein Kurzschluss zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch das Dielektrikum verhindert ist. Dies hat den Vorteil, dass der erste Kondensator mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise herstellbar ist. Die Bereitstellung eines zusätzlichen Dielektrikums ist bei einer derartigen Ausführungsform nicht mehr erforderlich.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die erste Elektrode an der Zellwandung angeordnet ist. Die zweite Elektrode ist an einem anderen Bereich der Zellwandung angeordnet oder durch einen der ersten Elektrode benachbarten Ableiter der Batteriezelle gebildet. Die erste Elektrode ist beispielsweise an der Zellwandung eines Oberteils oder Unterteils der Zellwandung gehalten, beispielsweise durch Aufkleben, Aufdampfen oder dergleichen. Die zweite Elektrode ist demnach beispielsweise an der Zellwandung des jeweils anderen Unterteils bzw. Oberteils der Zellwandung gehalten, beispielsweise durch Aufkleben, Aufdampfen oder dergleichen. Alternativ ist der Ableiter als zweite Elektrode ausgebildet bzw. die zweite Elektrode am Ableiter angeordnet, beispielsweise durch Aufkleben, Aufdampfen oder dergleichen. Somit vergrößert eine Ausdehnung des Zellinnenraums einen Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise Herstellungskosten des ersten Kondensators reduziert sind. Zudem weist der erste Kondensator eine kompakte Bauweise auf.
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Weiter bevorzugt weist die Batteriezelle einen Krümmungsmesser zum Messen einer Krümmung der Zellwandung auf. Der Krümmungsmesser ist beispielsweise an einem Bereich der Zellwandung angeordnet, welcher der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode benachbart ist. Als Krümmungsmesser wird vorzugsweise ein Dehnungsmessstreifen und/oder eine Laservorrichtung mit einem CCD Sensor verwendet. Vorzugsweise ist der Krümmungsmesser im Bereich der Verbindungsnaht angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise Messwerte der Kapazitätsveränderung des ersten Kondensators plausibilisierbar sind. Auf diese Weise ist die Zuverlässigkeit der Bestimmung der Alterung der Batteriezelle mittels unterschiedlicher Messmethoden verbesserbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die erste Elektrode und/oder zweite Elektrode eine größere Steifigkeit als die Zellwandung auf und ist an mindestens einem Endbereich nicht mit der Zellwandung verbunden. Hierbei ist es bevorzugt, dass die erste Elektrode und/oder zweite Elektrode mit einem Endbereich an der Zellwandung gehalten ist, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen oder dergleichen. Eine Ausdehnung des Zellinnenraums bewirkt nun ein Abheben des anderen Endbereichs der jeweiligen Elektrode von der Zellwandung bzw. relatives Verschwenken der jeweiligen Elektrode zur Zellwandung, sodass ein Effekt der Kapazitätsveränderung des ersten Kondensators verstärkt ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auch eine geringfügige Vergrößerung des Zellinnenraums zuverlässig ermittelbar ist.
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Vorzugsweise weist die Batteriezelle einen zweiten Kondensator mit einer dritten Elektrode, einer vierten Elektrode und einem zweiten Dielektrikum auf, wobei die dritte Elektrode auf einer Oberseite der Verbindungsnaht angeordnet, die vierte Elektrode auf eine Unterseite der Verbindungsnaht angeordnet und das zweite Dielektrikum durch die Verbindungsnaht gebildet ist. Das zweite Dielektrikum ist somit vorzugsweise durch eine doppelte Zellwandung gebildet. Der zweite Kondensator weist vorzugsweise eine Breite auf, die kleiner oder gleich einer Breite der Verbindungsnaht ist. Die dritte Elektrode und/oder vierte Elektrode können erfindungsgemäß beispielsweise wie voranstehend bezüglich der ersten Elektrode beschrieben ausgebildet sein. Mittels des zweiten Kondensators ist ein Zustand der Verbindungsnaht überwachbar. Da ein geringfügiges Ausdehnen des Zellinnenraums zu keiner Veränderung der Verbindungsnaht führt, tritt eine Veränderung der Kapazität des zweiten Kondensators erst bei einer größeren Ausdehnung des Zellinnenraums, also bei größeren Drücken im Zellinnenraum bzw. einer größeren Alterung der Batteriezelle auf. In dieser Ausführungsform ist der erste Kondensator vorzugsweise neben der Verbindungsnaht bzw. von der Verbindungsnaht entfernt angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein kritischer Zustand der Batteriezelle ermittelbar ist, bei welchem ein Versagen der Verbindungsnaht beginnt. Überdies ist ein Öffnen bzw. komplettes Versagen der Verbindungsnaht mittels des zweiten Kondensators besonders zuverlässig detektierbar.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Batteriezellensystem für ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Batteriezellensystem weist eine erste Batteriezelle und mindestens eine zweite Batteriezelle auf, wobei die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle jeweils einen Aktivteil zum Aufnehmen, Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie, eine einen Zellinnenraum bildende flexible Zellwandung und einen Ableiter aufweisen. Der Ableiter ist zum Leiten elektrischen Stroms zwischen dem Aktivteil und einer Umgebung der Batteriezelle ausgebildet. Der Aktivteil ist innerhalb des Zellinnenraums angeordnet. Die Zellwandung weist zum Bilden des Zellinnenraums eine Verbindungsnaht auf. Erfindungsgemäß weist das Batteriezellsystem einen ersten Kondensator mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einem ersten Dielektrikum auf, wobei das erste Dielektrikum zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind derart ausgebildet sowie angeordnet, dass eine Ausdehnung des Zellinnenraums der ersten Batteriezelle eine Veränderung eines Abstands zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode bewirkt.
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Das Batteriesystem weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Batteriezellen auf. Die Batteriezellen sind vorzugsweise als Pouchzellen ausgebildet. Die Pouchzellen sind vorzugsweise in einem Stapel angeordnet. Die Batteriezellen weisen vorzugsweise jeweils zwei Ableiter auf. Die Ableiter sind vorzugsweise an entgegengesetzten Enden der Batteriezelle angeordnet. Vorzugsweise weist das Batteriezellensystem ein Systemgehäuse zum Schutz vor mechanischen Stößen oder dergleichen auf. Weiter bevorzugt weist das Batteriezellensystem eine Druckvorrichtung zum Bereitstellen eines Drucks auf den Stapel der Pouchzellen auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Batteriezelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Batteriesystem gegenüber herkömmlichen Batteriesystemen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Vergrößerung des Zellinnenraums und somit der Alterung des Batteriezellensystems ermittelbar ist. Der erste Kondensator ist leicht herstellbar, weist eine hohe Beständigkeit auf, und Kapazitätsveränderungen des ersten Kondensators aufgrund der Ausdehnung des Zellinnenraus sind genau sowie zuverlässig ermittelbar. Auf diese Weise ist das Batteriezellensystem mittels eines Batteriemanagementsystems besonders bedarfsgerecht ansteuerbar. Ferner ist ein unbeabsichtigtes Aufreißen der Verbindungsnaht bei einer Batteriezelle und ein hiermit verbundenes schnelles Austrocknen der Batteriezelle des erfindungsgemäßen Batteriezellensystems leicht verhinderbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriezellensystem vorgesehen sein, dass die erste Batteriezelle als erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die zweite Batteriezelle ebenfalls als erfindungsgemäße Batteriezelle ausgebildet. Weitere Batteriezellen des Batteriezellensystems sind vorzugsweise ebenfalls als erfindungsgemäße Batteriezellen ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß beispielsweise vorgesehen sein, dass jede Batteriezelle, jede zweite oder jede dritte Batteriezelle eines Stapels Batteriezellen des Batteriezellensystems als erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Überwachung der Alterung des Batteriezellensystems gewährleistet ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird der erste Kondensator durch die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle gebildet. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die erste Elektrode an einer Zellwand der ersten Batteriezelle und die zweite Elektrode an einer benachbarten Zellwand der zweiten Batteriezelle angeordnet ist. Das erste Dielektrikum wird hierbei vorzugsweise durch mindestens eine der Zellwandungen, vorzugsweise beide Zellwandungen, gebildet. Eine Vergrößerung des Zellinnenraums der ersten Batteriezelle und/oder der zweiten Batteriezelle kann beispielsweise eine Verringerung des Abstands der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode und somit eine Zunahme der Kapazität des ersten Kondensators bewirken. Erfindungsgemäß können weitere Batteriezellen des Batteriezellensystems auch als erfindungsgemäße Batteriezellen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass das Batteriezellensystem mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise herstellbar ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Kraftfahrzeug weist einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs auf. Erfindungsgemäß weist das Kraftfahrzeug ein erfindungsgemäßes Batteriezellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Batteriezelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einem Batteriezellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Vergrößerung des Zellinnenraums und somit der Alterung des Batteriezellensystems des Kraftfahrzeugs ermittelbar ist. Der erste Kondensator ist leicht herstellbar, weist eine hohe Beständigkeit auf, und Kapazitätsveränderungen des ersten Kondensators aufgrund der Ausdehnung des Zellinnenraus sind genau sowie zuverlässig ermittelbar. Auf diese Weise ist das Batteriezellensystem mittels eines Batteriemanagementsystems des Kraftfahrzeugs besonders bedarfsgerecht ansteuerbar. Ferner ist ein unbeabsichtigtes Aufreißen der Verbindungsnaht bei einer Batteriezelle und ein hiermit verbundenes schnelles Austrocknen der Batteriezelle des Batteriezellensystems des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs leicht verhinderbar.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle, ein erfindungsgemäßes Batteriezellensystem sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer Schnittdarstellung eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform in einem Neuzustand,
- 2 in einer Schnittdarstellung die Batteriezelle gemäß der bevorzugten ersten Ausführungsform in einem gealterten Zustand,
- 3 in einer Schnittdarstellung eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform in einem Neuzustand,
- 4 in einer Schnittdarstellung die Batteriezelle gemäß der bevorzugten zweiten Ausführungsform in einem gealterten Zustand,
- 5 in einer Schnittdarstellung eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform in einem Neuzustand,
- 6 in einer Schnittdarstellung eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten vierten Ausführungsform in einem Neuzustand,
- 7 in einer Schnittdarstellung ein Batteriezellensystem gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform in einem Neuzustand,
- 8 in einer Schnittdarstellung ein Batteriezellensystem gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform in einem Neuzustand, und
- 9 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Batteriezelle 1 gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform in einem Neuzustand schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die Batteriezelle 1 weist einen Aktivteil 4 auf, welcher in einem von einer Zellwandung 6 gebildeten Zellinnenraum 5 angeordnet ist. An zwei Seiten des Aktivteils 4 ist ein Ableiter 7 angeordnet. Die Zellwandung 6 weist eine Oberseite 18 und eine Unterseite 19 auf, welche im Bereich des Ableiters 7 über eine Verbindungsnaht 8 miteinander verbunden sind. Der Ableiter 7 ist durch die Verbindungsnaht 8 aus dem Zellinnenraum 8 in eine Umgebung U der Batteriezelle 1 hinausgeführt.
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Im Bereich eines Ableiters 7 ist ein erster Kondensator 9 der Batteriezelle 1 angeordnet. Eine erste Elektrode 10 des ersten Kondensators 9 ist an der Oberseite 18 der Zellwandung 6 angeordnet. Eine zweite Elektrode 11 des ersten Kondensators 9 ist an der Unterseite 19 der Zellwandung 6 angeordnet. Ein erstes Dielektrikum 12 des ersten Kondensators 9 ist durch die Oberseite 18 und die Unterseite 19 der Zellwandung 6 gebildet und zwischen der ersten Elektrode 10 sowie der zweiten Elektrode 11 angeordnet. In dem dargestellten Neuzustand weist der Zellinnenraum 5 ein minimales Volumen auf. Zudem weisen die erste Elektrode 10 und zweite Elektrode 11 zueinander einen minimalen Abstand auf. Eine Kapazität des ersten Kondensators 9 ist in diesem Neuzustand maximal.
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2 zeigt die Batteriezelle 1 aus 1 schematisch in einem gealterten Zustand. In dem gealterten Zustand ist der Zellinnenraum 5 ausgedehnt und weist somit ein größeres Volumen als das minimale Volumen auf. Zudem weisen die erste Elektrode 10 und zweite Elektrode 11 zueinander einen größeren Abstand als der minimale Abstand auf. Die Kapazität des ersten Kondensators 9 ist in diesem gealterten Zustand somit geringer als im Neuzustand. Durch Bestimmung der Kapazitätsveränderung des ersten Kondensators 9 zwischen dem Neuzustand und dem gealterten Zustand ist der gealterte Zustand quantitativ bestimmbar.
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In 3 ist eine Batteriezelle 1 gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform in einem Neuzustand schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in einer Ausbildung des ersten Kondensators 9. Der erste Kondensator 9 ist im Bereich eines Ableiters 7 angeordnet. Die erste Elektrode 10 des ersten Kondensators 9 ist an der Oberseite 18 der Zellwandung 6 angeordnet. Der Ableiter 7 ist als die zweite Elektrode 11 des ersten Kondensators 9 ausgebildet. Das erste Dielektrikum 12 des ersten Kondensators 9 ist durch die Oberseite 18 der Zellwandung 6 gebildet und zwischen der ersten Elektrode 10 sowie der zweiten Elektrode 11 angeordnet. In dem dargestellten Neuzustand weist der Zellinnenraum 5 ein minimales Volumen auf. Zudem weisen die erste Elektrode 10 und zweite Elektrode 11 zueinander einen minimalen Abstand auf. Eine Kapazität des ersten Kondensators 9 ist in diesem Neuzustand maximal.
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4 zeigt die Batteriezelle 1 aus 3 schematisch in einem gealterten Zustand. In dem gealterten Zustand ist der Zellinnenraum 5 ausgedehnt und weist somit ein größeres Volumen als das minimale Volumen auf. Zudem weisen die erste Elektrode 10 und zweite Elektrode 11 zueinander einen größeren Abstand als der minimale Abstand auf. Die Kapazität des ersten Kondensators 9 ist in diesem gealterten Zustand somit geringer als im Neuzustand. Durch Bestimmung der Kapazitätsveränderung des ersten Kondensators 9 zwischen dem Neuzustand und dem gealterten Zustand ist der gealterte Zustand quantitativ bestimmbar.
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In 5 ist eine Batteriezelle 1 gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform in einem Neuzustand schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die Batteriezelle 1 gemäß der dritten Ausführungsform entspricht der Batteriezelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform und weist zusätzlich im Bereich des zweiten Ableiters 7 einen Krümmungsmesser 13 zum Bestimmen einer Krümmung der Zellwandung 6 auf. Auf diese Weise ist eine Bestimmung der Alterung der Batteriezelle 1 verbesserbar.
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6 zeigt eine Batteriezelle 1 gemäß einer bevorzugten vierten Ausführungsform in einem Neuzustand schematisch in einer Schnittdarstellung. Die Batteriezelle 1 gemäß der vierten Ausführungsform entspricht der Batteriezelle 1 gemäß der ersten Ausführungsform und weist zusätzlich im Bereich der dem ersten Kondensator 9 benachbarten Verbindungsnaht 8 einen zweiten Kondensator 14 auf. Eine dritte Elektrode 15 des zweiten Kondensators 14 ist auf der Oberseite 18 auf der Verbindungsnaht 8 angeordnet. Eine vierte Elektrode 16 des zweiten Kondensators 14 ist auf der Unterseite 19 der Verbindungsnaht 8 angeordnet. Ein zweites Dielektrikum 17 des zweiten Kondensators 14 ist durch die Verbindungsnaht 8 gebildet. In dem dargestellten Neuzustand weist der Zellinnenraum 5 ein minimales Volumen auf. Zudem weisen die dritte Elektrode 15 und vierte Elektrode 16 zueinander einen minimalen Abstand auf. Eine Kapazität des zweiten Kondensators 14 ist in diesem Neuzustand maximal. Wenn die Verbindungsnaht 8 aufgrund eine Ausdehnung des Zellinnenraums 5 aufgeht, vergrößert sich der Abstand zwischen der dritten Elektrode 15 und der vierten Elektrode 16. Hierbei verringert sich die Kapazität des zweiten Kondensators 14. Auf diese Weise ist ein Zustand der Verbindungsnaht 8 zuverlässig ermittelbar.
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In 7 ist ein Batteriezellensystem 2 gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform in einem Neuzustand schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Das Batteriezellensystem 2 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen 1 auf, die übereinander gestapelt und miteinander elektrisch verschaltet sind. Das Batteriezellensystem 2 weist einen ersten Kondensator 9 auf, wobei eine erste Elektrode 10 des ersten Kondensators 9 an einer Zellwandung 6 einer ersten Batteriezelle 1 und eine zweite Elektrode 11 des ersten Kondensators 9 an einer Zellwandung 6 einer der ersten Batteriezelle 1 benachbart angeordneten zweiten Batteriezelle 1 angeordnet ist. Der erste Kondensator 9 erstreckt sich somit über zwei Batteriezellen 1.
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8 zeigt ein Batteriezellensystem 2 gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform in einem Neuzustand schematisch in einer Schnittdarstellung. Das Batteriesystem 2 weist eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriezellen 1 auf, die übereinander gestapelt und miteinander elektrisch verschaltet sind. Der erste Kondensator 9 ist somit vollständig Bestandteil einer einzigen Batteriezelle 1.
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In 9 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 3 schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Das Kraftfahrzeug 3 weist einen Elektromotor 20 auf. Zum Versorgen des Elektromotors 20 mit elektrischem Strom weist das Kraftfahrzeug 3 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 2 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Batteriezellensystem
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Aktivteil
- 5
- Zellinnenraum
- 6
- Zellwandung
- 7
- Ableiter
- 8
- Verbindungsnaht
- 9
- erster Kondensator
- 10
- erste Elektrode
- 11
- zweite Elektrode
- 12
- erstes Dielektrikum
- 13
- Krümmungsmesser
- 14
- zweiter Kondensator
- 15
- dritte Elektrode
- 16
- vierte Elektrode
- 17
- zweites Dielektrikum
- 18
- Oberseite
- 19
- Unterseite
- 20
- Elektromotor
- U
- Umgebung
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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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- US 2012/0133521 A1 [0008]
- US 2018/0287223 A1 [0008]
- US 2013/0330577 A1 [0008]
