DE102020212038B3

DE102020212038B3 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102020212038B3
Application number: DE102020212038.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Börger; Jan MERTENS
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2040-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle 1 mit einer Anode 2 und einer Kathode 3 sowie einem dazwischen angeordneten Separator 4, der einen mehrere Schichten 5, 6, 7 aufweisenden Aufbau hat, wobei in wenigstens einer Schicht 5, 6, 7 des Separators 4 wenigstens ein Sensor 8 zur Überwachung des thermischen Zustands der Batteriezelle 1 angeordnet ist und der Separator 4 wenigstens eine isolierende Schicht 5 und eine elektrisch leitfähige Schicht 6 aufweist, wobei im Separator 4 wenigstens drei Sensoren 8 so angeordnet sind, dass sie eine dreieckige Sensormasche bilden und mit einer zumindest teilweise in einer Schicht 5, 6, 7 des Separators 4 angeordneten Auswerteeinheit 9 verbunden sind, die so ausgebildet ist, dass sie die von den Sensoren 8 ermittelten Messwerte auswerten und wenigstens einen Zustandswert für den thermischen Zustand der Batteriezelle 1 ausgeben kann. Bevorzugt ist die Auswerteeinheit 9 dabei so ausgebildet ist, dass sie sie den thermischen Zustand der Batteriezelle 1 mehrstufig beurteilen und insbesondere in skalierbarer Weise anzeigen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Anode und einer Katode sowie einem dazwischen angeordneten Separator, der einen mehrere Schichten aufweisenden Aufbau hat, wobei in wenigstens einer Schicht des Separators wenigstens ein Sensor zur Überwachung des thermischen Zustands der Batteriezelle angeordnet ist.
Derartige Batteriezellen (im Folgende auch kurz Zelle oder Batterie genannt) sind hinlänglich bekannt. Eine aktuell auch im Bereich der Elektromobilität verbreitete Bauform ist die sogenannte Lithium-Ionen-Batterie.
Eines der großen Probleme derzeit bekannter Batteriezellen ist die thermische Propagation. Darunter wird das Fortschreiten eines thermischen Ereignisses in einer Batteriezelle verstanden. Insbesondere wenn mehrere solcher Batteriezellen miteinander verschaltet sind und es zu einem Fortschreiten von Zelle zu Zelle kommt, kann dies zu erheblichen Problemen führen.
Durch thermische Propagation werden schlagartig und in kurzer Zeit große Energiemengen, die zuvor in der Batterie gespeichert waren, freigesetzt. Diese schlagartige Energiefreisetzung äußert sich in der einzelnen Batteriezelle insbesondere durch einen starken Temperaturanstieg, der mehrere hundert Grad Kelvin betragen kann, hohe interne Kurzschlussströme, einen starken Druckanstieg innerhalb der Batteriezelle, bzw. innerhalb eines Moduls aus mehrerer solcher Batteriezellen, durch starke Gasentwicklung (verbunden mit einer Ausdehnung der Batteriezelle oder des Batteriezellenmoduls), dem Verlust der Klemmenspannung und des Klemmenstroms. Im Ergebnis kann thermische Propagation ohne Intervention zum Ausbruch von Feuern, dem Bersten von Batteriezellen bis hin zu deren Explosion führen.
Zur Erfassung thermischer Propagationsvorgänge ist bereits in der Vergangenheit, zum Beispiel in der DE 10 2013 005 684 A1 , vorgeschlagen worden, dass man Batteriezellen mit Separatoren ausstattet, in denen ein Sensor zur Erfassung von Messdaten angeordnet ist, die für den thermischen Zustand der Batteriezelle relevant sind. Unter einem Separator ist dabei ein Bauteil einer Batteriezelle zu verstehen, das die elektronisch aktiven Materialien innerhalb der Batteriezelle voneinander trennt. Diese bekannten und mit Sensoren ausgestatteten Separatoren arbeiten jedoch nach derzeitigem Stand in der Regel noch nicht exakt genug.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batteriezelle anzugeben, deren Zustand noch exakter und schneller überwacht werden kann, als dies bislang der Fall ist.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe gelingt durch eine gattungsgemäße Batteriezelle, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass der Separator wenigstens eine isolierende Schicht und eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist, wobei im Separator wenigstens drei Sensoren so angeordnet sind, dass sie eine dreieckige Sensormasche bilden und mit einer zumindest teilweise in einer Schicht des Separators angeordneten Auswertereinheit verbunden sind, die so ausgebildet ist, dass sie die von den Sensoren ermittelten Messwerte auswerten und wenigstens einen Zustandswert für den thermischen Zustand der Batteriezelle ausgeben kann.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle zeichnet sich also dadurch aus, dass verschiedene Sensoren, zumindest teilweise oder vollständig in den Separator der Batteriezelle in einer spezifischen Ausrichtung integriert werden. Die isolierende Schicht kann dabei aus wenigstens einer Kunststoffschicht, einer Glasschicht und/oder auch einer Keramikschicht oder dergleichen bestehen. Auch kann der Separator weitere Schichten, Beschichtungen und/oder Verkapselungen aufweisen. Die Schichten können dabei beliebig zueinander angeordnet und auch in beliebiger Anzahl vorhanden sein. Es ist dabei aber wichtig, dass so wenig Schichten wie möglich verwendet werden, um eine größtmögliche lonendurchlässigkeit des Separators zu erhalten.
Der Vorteil die Sensoren in einer dreiecksförmigen Masche anzuordnen, liegt nun darin, dass diese Maschenform eine größere eingeschlossene Fläche abdeckt als dies etwa rechteckige Maschen können. So kann mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Sensorelementen eine sehr große Fläche sicher überwacht werden.
Durch die Integration einer Auswerteeinheit direkt in den Separator gelingt es, die Zustandswerte sehr nah an den entscheidenden Stellen in der Zelle erfassen zu können, ohne dass hierzu der Anschluss zusätzlicher externer Geräte notwendig wird. Dies ist gerade auch bei einer größeren Anzahl von in der Batteriezelle angeordneten Sensoren vorteilhaft. Dann ist es nicht mehr nötig, für jeden Sensor Anschlussleitungen aus der Batteriezelle herauszuführen. Auch wird Bauraum außerhalb der Batteriezelle eingespart.
Die Auswerteeinheit kann dabei traditionell als IC gefertigt werden, welcher dann in den Separator integriert wird. Andernfalls können beispielsweise auch Druckverfahren, die aus der Mikroschaltkreistechnik bekannt sind, auf die Separatorfertigung übertragen werden und elektrisch leitfähige Fäden oder Vliesstrukturen zur Erzeugung derartiger Schaltkreise auf dem Separator, bzw. einer seiner Schichten genutzt werden. Bei der Herstellung kann also auf die an sich bekannten Verfahren zur Herstellung von Mikro- / Nanosensoren oder auch Verfahren zur Herstellung von elektrischen und magnetischen Mikroschaltkreisen bzw. mehrschichtigen Separatoren zurückgegriffen werden.
Weiterbildend ist die Auswerteeinheit so ausgebildet, dass sie den thermischen Zustand der Batteriezelle durch einen Vergleich der Messwerte mit in der Auswerteeinheit hinterlegten Grenzwerten ermitteln kann. Die Auswerteeinheit ist so in der Lage, eigenständig Aussagen über den Zustand der Batteriezelle zu tätigen. Anders ausgedrückt, kann die erfindungsgemäße Batteriezelle als intelligente Batteriezelle bezeichnet werden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass sie ein Warnsignal für einen als kritisch ermittelten thermischen Zustand der Batteriezelle ausgeben kann. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist in einer solchen Ausführungsform dann bereits direkt für den Einsatz, beispielsweise in einem Elektroauto, konfiguriert.
Ferner ist es sinnvoll, wenn die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass sie den thermischen Zustand der Batteriezelle mehrstufig beurteilen und insbesondere in skalierbarer Weise anzeigen kann. Die umfangreiche sensorische Erfassung der vorhandenen Batterieparameter ermöglicht dann nämlich eine skalierbare Anzeige eines sogenannten „State-of-Safety“, also einer Anzeige des Sicherheitszustandes der Batteriezelle. So kann beispielsweise für einen Temperatursensor ein erster kritischer Temperaturwert als erster Grenzwert definiert werden. Bei Erfassung einer Temperatur, die kleiner ist als dieser erste Grenzwert, wird ein erstes Signal an den Benutzer des Fahrzeuges bzw. der Batteriezelle übermittelt, das ihm anzeigt, dass der Betriebszustand unkritisch oder normal ist. Wird dann ein zweiter Grenzwert für eine gegenüber dem ersten Grenzwert höheren Temperatur festgelegt, kann dann eine ermittelte Temperatur, die zwischen dem ersten und dem zweiten Grenzwert liegt, als erhöhte Temperatur angezeigt werden. So ist es z.B. denkbar, für eine erhöhte Temperatur anzuzeigen, dass ein Werkstattaufenthalt erforderlich ist. Wird dann eine Temperatur erfasst, die über dem zweiten Grenzwert liegt, kann der Benutzer des Fahrzeugs wegen Vorliegen eines als kritisch ermittelten Zustands zum sofortigen Verlassen des Fahrzeugs aufgefordert werden. Es werden in diesem Beispiel also zwei Grenzwerte und drei Zustandsmeldungen (normal, erhöht, kritisch) für den „State-of-Safety“ in der Auswerteeinheit hinterlegt.
Weiterbildend ist die Auswerteeinheit so ausgebildet, dass sie den thermischen Zustand der Batteriezelle räumlich beurteilen kann. Hierzu werden insbesondere die Zustände der unterschiedlichen Sensoren in Bezug auf ihre Lage in der Batteriezelle von der Auswerteeinheit ausgewertet. So kann die Auswerteeinheit eine Aussage auch dazu abgeben, inwiefern sich eine thermische Propagation räumlich innerhalb der Batteriezelle ausgedehnt hat. Dies ermöglicht eine deutlich exaktere Prognose über den Zustand der Batteriezelle.
Ferner ist es von Vorteil, wenn im Separator eine Vielzahl von Sensoren so angeordnet sind, dass sie mehrere dreieckige Sensormaschen bilden. So kann auf sehr einfache Art und Weise ein große Flächen abdeckendes Maschensystem im Separator ausbildet werden, dass insgesamt eine sehr zuverlässige Erfassung des thermischen Zustandes der Batteriezelle ermöglicht.
Ferner ist es von Vorteil, wenn im Separator eine Vielzahl von Sensoren in einem stochastischen Muster angeordnet ist, wobei in den Bereichen des Separators mehr Sensoren angeordnet sind, die besonders häufig von einem inneren Kurzschluss bedroht sind. So können Erfahrungen berücksichtigt werden, wo sich besonders häufig innere Kurzschlüsse in Batteriezellen entwickeln. Dies führt zu einer verbesserten Empfindlichkeit des gesamten Auswertungssystems und die Batteriezelle ist insgesamt deutlich sicherer, weil sie ein exakteres Warnsystem für die thermische Propagation aufweist.
Ferner ist es wünschenswert, wenn ein Sensor als pyroelektrischer Sensor, Gassensor, Magnetfeldsensor, kapazitiver Sensor, Hallsensor oder optischer Sensor ausgebildet ist.
Gerade die Verwendung pyroelektrischer Sensoren ist sehr vorteilhaft. Denn diese erfassen nur die Änderung der Temperatur und nicht die Temperatur selbst. Die Erfassung der Temperatur ist aber zur Beurteilung des thermischen Zustands der Batteriezelle gar nicht notwendig. Vielmehr reicht es aus, die Änderung des Temperaturzustandes zu erfassen, sodass pyroelektrische Sensoren zur Anwendung gelangen können. Der Vorteil der pyroelektrischen Sensoren liegt also darin, dass diese nicht mehr eine permanente Überwachung der Sensoren und der Temperaturen durch die Auswerteinheit erfordern. Das vereinfacht die Überwachung bzw. Auswertung erheblich. Diese mit piezoelektrischen Sensoren verwandten Sensoren können auf grundsätzlich bekannte Weise direkt in den Separator eingebracht oder auch auf diesen aufgebracht werden. Wenn dann pyroelektrische Sensoren verwendet werden, die auch piezoelektrische Eigenschaften besitzen, kann sogar noch zusätzlich der Druck mittels desselben Sensors erfasst werden. Das reduziert die Zahl der Bauteile und erhöht die Messgenauigkeit weiter.
Magnetfeldsensoren haben den Vorteil, dass auch diese besonders gut In-situ-Warnungen gegen thermische Propagation aussprechen können, weil bei Entstehung eines internen Kurzschlusses zuerst ein hoher Strom fließt und sich erst dann der hohe Strom aufgrund des Jouleschen Effektes in Wärme umwandelt. Ein hoher sich ändernder Strom bedingt gleichzeitig immer auch ein hohes magnetisches Feld. Dementsprechend ist die Ansprechzeit eines Magnetfeldsensors sehr gering. Bei den Magnetfeldsensoren kann es sich zum Beispiel um miniaturisierte Hall-Sensoren handeln. Diese können auf herkömmliche Weise auf den Separator oder in diesen eingebracht werden. Auch ist es möglich, dass die Magnetfeldsensoren nur teilweise in den Separator eingebracht werden. Die Magnetfeldsensoren müssen dabei derart orientiert sein, dass sie das entstehende Magnetfeld im Rahmen eines thermischen Runaways detektieren können. Um die Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren zu steigern, können Einzellagen oder Teile des Separators ferromagnetisch ausgestaltet sein. Dies kann beispielsweise durch den Einschluss von weichmagnetischen Partikeln geschehen. Besser ist es jedoch, wenn die Magnetisierung nicht durch Einschluss von Partikeln, sondern durch Einbringung von Stoffen bzw. Partikeln geschieht, die chemische Bindungen mit dem Polymer eingehen. Insbesondere kann dabei das magnetische Gebiet so ausgestaltet sein, dass dessen Struktur die natürliche Magnetfeldstruktur, die bei einem inneren Kurzschluss aufgrund der Rechten-Hand-Regel (Schraubenregel) und dem Biot-Savart-Gesetz in dem leitfähigen Gebiet des durchstoßenen Separators entsteht, verstärken kann. Dies geschieht vor dem Hintergrund, bessere und genauere Messergebnisse zu erzielen. Es können auch Eisenkreisstrukturen (magnetische Schaltkreise) wie zum Beispiel Eisenkreismaschen zur Gestaltung dieser magnetischen Struktur verwendet werden. Die Eisenkreisstrukturen zeichnen sich dadurch aus, dass sie das umgebene Magnetfeld in sich konzentrieren können, da sie viel stärker magnetisch sind als ihre Umgebung. Insofern lassen sich mit solchen Eisenkreisstrukturen und einer genauen Einbringung solche Partikel mit magnetischen Konzentrationen konstruieren, wodurch eine exakte Detektion kritischer thermischer Zustände in der Batteriezelle begünstigt werden. Um eine Größenordnung für das Magnetfeld anzugeben, nach der ein solcher Magnetfeldsensor in seiner Empfindlichkeit ausgelegt sein sollte, kann das Biot-Savart-Gesetz benutzt werden.
Auch Gassensoren können gut für In-Situ-Warnungen gegen thermische Propagation genutzt werden. Denn während einer thermischen Propagation entstehen in einer Batteriezelle eine Vielzahl von Gasen. So kann die Querempfindlichkeit von Gassensoren vorteilhaft ausgenutzt werden, da die Batteriezelle bereits in sich gekapselt und verdichtet ist und somit einen natürlichen Schutz vor Fremdgasen bietet. Der Vorteil eines nun innerhalb der Batteriezelle angeordneten Gassensors liegt dabei darin, dass bei äußerlich angebrachten Sensoren entsprechende Dichtungen und Ausleitwege für die entsprechenden Gase vorgesehen werden müssen, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht mehr notwendig sind.
Weiterbildend weist der Gassensor Kohlenstoff-Nanotubes zur Gasmessung auf. Diese besitzen eine sehr geringe Schichtdicke im Nanometer- bzw. Mikrometerbereich und können auch bei Raumtemperatur arbeiten. Bei richtiger Herstellweise sind diese Sensoren in der Regel außerdem flexibel, was ihren Einsatz im Separator einer Batterie begünstigt. Typischerweise werden solche Sensoren auf einem Basissubstrat gefertigt. Kohlenstoff-Nanotubes zeichnen sich außerdem durch einen breiten Messbereich (z. B. 100-10 000 ppm), geringe Ansprechzeiten (bis 3 Sekunden) und hohe Selektivität durch einen stabilen Arbeitsbereich aus. Kohlenstoff-Nanotubes können je nach Aufbau der Struktur unterschiedliche Gase detektieren. Eine Vielzahl verschiedener Gase, die bei einem Thermal Runaway (thermische Propagation) entstehen, können also dadurch abgedeckt werden, dass man für jedes Gas einen gasspezifischen Sensor konstruiert und implementiert. Das hat den Vorteil, dass unterschiedlichste Arten von Lithium-Ionen-Batterien abgedeckt werden können. Denn für jede Zellchemie entstehen ähnliche Gase, allerdings in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Konzentrationen. Hat man nun Sensoren für eine große Anzahl dieser Gase, so kann man ein und denselben Separator in unterschiedlichen Arten von Batteriezellen benutzen und muss lediglich zellchemiespezifische Auswerteparameter für die zuständige Auswerteeinheit vorsehen.
Idealerweise wird der Gassensor dabei direkt auf dem Separator aufgebracht bzw. in den Separator eingebracht und eventuell noch mit einer Verkapselung versehen. Andernfalls kann auch ein passendes Substrat in eine Schicht des Separators eingebracht oder auf eine Schicht des Separators aufgebracht werden. Die typische Porenverteilung eines Separators folgt dabei einer Gaußschen Normalverteilung und liegt in Bereichen zwischen 10 nm bis 1500 µm Porengröße. Typische Größenordnungen von zu detektierenden Molekülen liegen in Bereichen wie zum Beispiel 2,76 Ångström [H_2], 3,16 Ångström [CO], 3,23 Ångström [CO_2], 4,5 Ångström [C6H6] und sind aus physikalischen Textbüchern und Versuchen grundsätzlich bekannt. Es ist außerdem bekannt, dass sehr große Gasmengen bei einer thermischen Propagation entstehen können. Eine typische Mengenangabe sind beispielsweise 2,5 Liter produziertes Gas pro Wattstunde Energieinhalt. Es ist davon auszugehen, dass die angegebenen Mindestkonzentrationen solcher Sensoren zur Detektion im Fall thermischer Propagation weit überschritten werden. Bei der Auslegung solcher Sensoren kann ausgehend von einer Zusammensetzung der Gase und der entstehenden Gasmenge bestimmt werden, wie viele Sensoren und in welcher Anzahl und Verteilung diese Gassensoren im Separator vorliegen müssen.
Weiterbildend sind die für die Ermittlung des Zustandswerts für den thermischen Zustand der Batteriezelle wichtigen Bauteile, insbesondere Auswerteeinheit, Sensoren und/oder Übertragungsmittel, redundant ausgebildet. Dies erhöht die Ausfallsicherheit des Sicherheitssystems der Batteriezelle nochmals spürbar.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Darin zeigen schematisch:

1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
2 einen Ausschnitt aus einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bei der nur der Separator zu erkennen ist;
3 einen Ausschnitt aus einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bei der nur der Separator zu erkennen ist;
4 einen Ausschnitt aus einem vierten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bei der nur der Separator zu erkennen ist;
5 einen Ausschnitt aus einem fünften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bei der nur der Separator zu erkennen ist;
6 einen Ausschnitt aus einem sechsten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bei der nur der Separator zu erkennen ist;
7 einen Ausschnitt aus einem siebten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bei der nur der Separator zu erkennen ist;
8 einen Ausschnitt aus einem achten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bei der nur der Separator zu erkennen ist; und
9 ein neuntes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.

Die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Batteriezelle 1 weist eine Anode 2 und eine Kathode 3 sowie einen dazwischen angeordneten Separator 4 auf. Der Separator 4 hat einen Aufbau aus mehreren Schichten 5, 6 und 7 wobei in den Schichten 6 und 7 des Separators 4 jeweils drei Sensoren 8 angeordnet sind und zwar so, dass sie eine dreieckige Sensormasche bilden. In der hier gewählten Schnittdarstellung sind allerdings nur zwei der insgesamt sechs Sensoren 8 zu erkennen, da die weiteren Sensoren 8 in den Schichten 6 und 7 hinter den beiden sichtbaren Sensoren 8 liegen und durch diese verdeckt sind.
Dabei ist der hier dargestellte erfindungsgemäße Aufbau der Batteriezelle 1 so, dass der Separator 4 zunächst an seien beiden Außenseiten jeweils eine isolierende Schicht 5 aufweist, die z. B. aus Kunststoff oder auch Glas besteht, bzw. Kunststoff oder Glas beinhaltet. Im Inneren folgt eine elektrisch leitfähige Schicht 6, in der drei Sensoren 8 in Form einer dreieckigen Masche angeordnet sind. In der dann folgenden magnetisch leitfähigen Schicht 7 sind ebenfalls drei Sensoren 8 angeordnet. Alle Sensoren 8 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer zwischen den Schichten 6 und 7 angeordneten Auswerteeinheit 9 verbunden, die so ausgebildet ist, dass sie die von den Sensoren 8 ermittelten Messwerte auswerten und wenigstens einen Zustandswert für den thermischen Zustand der Batteriezelle 1 ausgeben kann. Die Ausgabe erfolgt dabei z. B. an eine hier nicht dargestellte Steuerung eines Fahrzeugs in dem eine solche Batteriezelle 1 zur Anwendung kommen kann.
Die Anode 2 und die Kathode 3 wie auch der Separator 4 sind zwischen zwei Stromkollektoren 10 angeordnet, wobei der in der Darstellung links gezeigte Stromkollektor 10 an ein positives Terminal 11 und der in der Zeichnung rechts gezeichnete Stromkollektor 10 an ein negatives Terminal 12 angeschlossen ist. Die gesamte Anordnung von Stromkollektoren 10, Kathode 3, Anode 2 und Separator 4 befindet sich in einem Gehäuse 13 der Batteriezelle 1.
2 zeigt nun ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 wobei hier aus Gründen der besseren Darstellung nur der Separator 4 gezeigt ist. Allerdings ist der Separator 4 hier - wie man im Vergleich mit 1 gut erkennen kann - horizontal geschichtet und nicht wie der in 1, in vertikalen Schichten nebeneinander ausgeführt. Die Anode 2 und die Kathode 3 befinden sich demgemäß über bzw. unter dem Separator 4. Ferner erkennt man in 2 auch eine andere Anordnung der drei Sensoren 8 in der elektrisch leitfähigen Schicht 6. Hier befinden sich die drei Sensoren 8 alle innerhalb der Schnittebene und eben nicht hintereinander. Wie man ferner erkennen kann, befindet sich der mittlere Sensor 8 gegenüber den beiden äußeren Sensoren 8 in einer leicht erhöhten Position, sodass sich auch in der Schnittansicht bereits eine dreieckige Maschenform einstellt.
Alle drei Sensoren 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Auswerteeinheit 9 verbunden, die ihrerseits nicht in derselben elektrisch leitfähigen Schicht 6, sondern vielmehr in einer magnetisch leitfähigen Schicht 7 angeordnet ist. Diese Anordnung ist nicht zwingend. Vielmehr kann die Auswerteeinheit 9, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 dargestellt, auch beispielsweise zwischen zwei Schichten des Separators 4 oder in einer anderen ganz anderen Schicht angeordnet sein. Der mehrschichtige Aufbau des Separators 4 gemäß 2 sieht an seinen Außenseiten schließlich die Überdeckung der leitfähigen Schichten 6 und 7 durch isolierende Schichten 5 vor. Bereits aus dem Vergleich der 1 mit der Ausführungsform gemäß 2 wird deutlich, dass die Schichtanordnungen grundsätzlich beliebig sein können, sodass es sowohl vertikale Schichtung wie auch horizontale Schichtung geben kann, dass aber auch die Anordnung der einzelnen Sensoren 8 bzw. Auswerteeinheiten 9 innerhalb des Schichtaufbaus durchaus variiert werden können.
Weitere Variationsmöglichkeiten zur Anordnung eines Sensors 8, zeigen die 3, 4 und 5. Wie man der Ausführungsform gemäß 3 entnehmen kann, kann der Sensor 8 als dünne Schicht ausgebildet und als solche auf eine isolierende Schicht 5 aufgebracht sein. Denkbar ist aber auch, dass der Sensor 8 vollständig in eine isolierende Schicht 5 eingebracht wird, siehe 4. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist zu erkennen, wie ein auf eine isolierende Schicht 5 aufgebrachter Sensor 8 von einer weiteren isolierenden Schicht 5 im Sinne einer Verkapselung umhüllt wird. Dabei können die Sensoren 8 mit der entsprechenden Schicht 5 verklebt, verschmolzen, verschweißt oder auch laminiert werden. Auch andere Möglichkeiten der An- und/oder Einbringung sind selbstverständlich möglich und im Rahmen der Erfindung denkbar.
Die Ausführungsbeispiele der 6 und 7 zeigen verschiedene Arten der Maschenform in der die Sensoren 8 innerhalb des Separators 4 angeordnet werden können. Dabei zeigt 6 eine Ausführungsform bei der eine regelmäßige, dreieckige, maschenförmige Anordnung der Sensoren 8 in der elektrisch leitfähigen Schicht 6 ausgeführt ist. 7 zeigt demgegenüber eine stochastische Anordnung der Sensoren 8 innerhalb der elektrisch leitfähigen Schicht 6.
Hier wird aus Erfahrungswerten abgeleitet, wo es besonders wichtig ist, dass ein Sensor 8 oder mehrere Sensoren 8 angeordnet werden. So werden in den Bereichen, in denen eher mit einer thermischen Propagation bzw. einem Kurzschluss zu rechnen ist, mehr Sensoren 8 angeordnet als in den Bereichen, in denen die statistische Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses geringer ist.
8 zeigt nun in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus einer magnetisch leitfähigen Schicht 7 eines Separators 4, bei dem in der magnetisch leitfähigen Schicht 7 ein magnetisches Sensorelement 8 angeordnet ist, das einen internen Kurzschluss 14 anhand eines dabei entstehenden Magnetfelds (hier mit zwei Magnetfeldlinien 15 symbolisiert) ermittelt. Dazu weist die magnetisch leitfähige Schicht 7 eine magnetisch leitfähige Eisenkreisstruktur 16 auf, die als Magnetfeldkonzentrator ausgelegt ist, sodass das Sensorelement 8 das während eines Kurzschlusses 14 auftretende Magnetfeld sicher ermitteln kann. Damit es nicht zu etwaigen Störeinflüssen kommt, ist es denkbar, dass die magnetisch leitfähige Schicht 7 durch weitere Schichten im Separator 4 von externen Magnetfeldern abgeschirmt werden, wie dies beispielsweise in 1 oder auch 2 skizziert worden ist.
9 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 bei der ein intelligenter Separator 4 (also ein Seperator 4 mit Sensoren 8 und Auswerteinheit 9) mit einer darin angeordneten Messtechnikeinheit 17 ausgestattet ist. Die Messtechnikeinheit 17 weist dabei wenigstens drei Sensoren 8 auf, die als dreieckige Sensormasche in einer elektrisch leitfähigen Schicht 6 des Separators 4 angeordnet ist. Zusätzlich zur im Separator 4 angeordneten ersten Auswerteeinheit 9, gibt es noch eine innerhalb der Batteriezelle 1 angeordnete zweite Auswerteeinheit 9 und eine dritte Auswerteeinheit 9, die außerhalb der Batteriezelle 1 angeordnet ist. Sowohl die außerhalb der Batteriezelle 1 angeordnete Auswerteeinheit 9, wie auch die außerhalb des Separators 4 aber noch innerhalb der Batteriezelle 1 angeordnete Auswerteeinheit 9, sind ihrerseits mit der Messtechnikeinheit 17, die sich im Separator 4 befindet, aber auch mit einer Messtechnikeinheit 17, die sich außerhalb des Separators 4 und noch innerhalb der Batteriezelle 1 befindet und einer Messtechnikeinheit 17, die sich komplett außerhalb der Batteriezelle 1 befindet, verbunden. Die außerhalb des Separators 4 angeordnete Messtechnikeinheit 17 ist dabei so ausgebildet, dass sie wenigstens einen Sensor 8 aufweist. Sie kann also einfacher aufgebaut sein, bzw. weniger Sensoren 8 aufweisen, als die Messtechnikeinheit 17 die sich im Separator 4 befindet.
Die Auswerteeinheiten 9 wie auch die Messtechnikeinheiten 17 sind über verschiedene Übertragungsmittel mit vier verschiedenen Kommunikationskanälen 18, 19, 20, 21 verbunden. Diese Übertragungsmittel können selbstverständlich als Drähte oder auch Leiterbahnen ausgebildet sein. Denkbar ist aber auch, dass ein solcher Kommunikationskanal drahtlos, z.B. per Funk, realisiert wird.
Bezugszeichenliste

1.: Batteriezelle
2.: Anode
3.: Kathode
4.: Separator
5.: Isolierende Schicht
6.: Elektrisch leitfähige Schicht
7.: Magnetisch leitfähige Schicht
8.: Sensor
9.: Auswerteeinheit
10.: Stromkollektor
11.: Positives Terminal
12.: Negatives Terminal
13.: Gehäuse
14.: Kurzschluss
15.: Magnetfeldlinien
16.: Magnetische Eisenkreisstruktur
17.: Messtechnikeinheit
18.: 1. Kommunikationskanal
19.: 2. Kommunikationskanal
20.: 3. Kommunikationskanal
21.: 4. Kommunikationskanal

Claims

Batteriezelle (1) mit einer Anode (2) und einer Kathode (3) sowie einem dazwischen angeordneten Separator (4), der einen mehrere Schichten (5, 6, 7) aufweisenden Aufbau hat, wobei in wenigstens einer Schicht (5, 6, 7) des Separators (4) wenigstens ein Sensor (8) zur Überwachung des thermischen Zustands der Batteriezelle (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) wenigstens eine isolierende Schicht (5) und eine elektrisch leitfähige Schicht (6) aufweist, wobei im Separator (4) wenigstens drei Sensoren (8) so angeordnet sind, dass sie eine dreieckige Sensormasche bilden und mit einer zumindest teilweise in einer Schicht (5, 6, 7) des Separators (4) angeordneten Auswerteeinheit (9) verbunden sind, die so ausgebildet ist, dass sie die von den Sensoren (8) ermittelten Messwerte auswerten und wenigstens einen Zustandswert für den thermischen Zustand der Batteriezelle (1) ausgeben kann.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) so ausgebildet ist, dass sie den thermischen Zustand der Batteriezelle (1) durch einen Vergleich der Messwerte mit in der Auswerteinheit (9) hinterlegten Grenzwerten ermitteln kann.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) so ausgebildet ist, dass sie ein Warnsignal für einen als kritisch ermittelten thermischen Zustand der Batteriezelle (1) ausgeben kann.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) so ausgebildet ist, dass sie den thermischen Zustand der Batteriezelle (1) mehrstufig beurteilen und insbesondere in skalierbarer Weise anzeigen kann.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) so ausgebildet ist, dass sie den thermischen Zustand der Batteriezelle (1) räumlich beurteilen kann.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Separator (4) eine Vielzahl von Sensoren (8) so angeordnet ist, dass sie mehrere dreieckige Sensormaschen bilden.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Separator (4) eine Vielzahl von Sensoren (8) in einem stochastischen Muster angeordnet ist, wobei in solchen Bereichen, die besonders häufig von einem Kurzschluss bedroht sind, mehr Sensoren (8) angeordnet sind als in anderen Bereichen.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (8) als Gassensor, Magnetfeldsensor, pyroelektrischer Sensor, kapazitiver Sensor, Hall-Sensor oder optischer Sensor ausgebildet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (8) so ausgebildet ist, dass Kohlenstoff-Nanotubes zur Gasmessung verwendet werden.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Ermittlung des Zustandswerts für den thermischen Zustand der Batteriezelle (1) besonders wichtigen Bauteile, insbesondere Auswerteeinheit (9), Sensoren (8) und/oder Übertragungsmittel redundant ausgebildet sind.