DE102021129640A1

DE102021129640A1 - Battery cell and battery with such a battery cell

Info

Publication number: DE102021129640A1
Application number: DE102021129640.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Alig
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-05-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle und eine Batterie mit wenigstens einer solchen Batteriezelle. Die Batteriezelle weist auf: einen Elektrodenstapel (10), eine Sensorfaser (20) und ein Gehäuse (30), wobei der Elektrodenstapel (10) und die Sensorfaser (20) wenigstens teilweise innerhalb des Gehäuses (30) angeordnet sind und wobei die Sensorfaser (20) zumindest teilweise in einem thermischen und/oder einem mechanischen Kontakt mit dem Elektrodenstapel (10) steht und wobei die Sensorfaser (20) eingerichtet ist, mit einem Messsignal beaufschlagt zu werden und das Messsignal in Übereinstimmung mit einer Veränderung wenigstens einer den Elektrodenstapel (10) betreffenden Größe zu variieren.The invention relates to a battery cell and a battery with at least one such battery cell. The battery cell has: an electrode stack (10), a sensor fiber (20) and a housing (30), the electrode stack (10) and the sensor fiber (20) being at least partially arranged within the housing (30) and the sensor fiber ( 20) is at least partially in thermal and/or mechanical contact with the electrode stack (10) and wherein the sensor fiber (20) is set up to be supplied with a measurement signal and the measurement signal in accordance with a change in at least one of the electrode stack (10 ) to vary the relevant size.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle und eine Batterie mit wenigstens einer solchen Batteriezelle.The present invention relates to a battery cell and a battery with at least one such battery cell.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Energiespeicher wie Batterien bekannt, welche meist eine Vielzahl von Zellmodulen aufweisen. Pro Zellmodul sind i. d. R. mehrere Batteriezellen zusammengefasst, welche beispielsweise als Pouch-Zellen, Rundzellen oder prismatische Zellen ausgebildet sind.Electrical energy stores such as batteries are known from the prior art, which usually have a large number of cell modules. Per cell module i. i.e. R. combined several battery cells, which are designed for example as pouch cells, round cells or prismatic cells.

Durch Zyklisierung (wiederholtes Auf- und Entladen) und/oder kalendarische Alterung einer solchen Batterie, kann es durch ein Volumenwachstum (häufig in Form eines „Ausbauchens“) zu Formänderungen der Batteriezellen über die Lebensdauer der Batterie kommen. Im Zusammenhang mit Rundzellen führt ein solches Volumenwachstum i. d. R. zu einer erhöhten Verpressung von Bestandteilen der Batteriezelle innerhalb der Batteriezelle.Cyclization (repeated charging and discharging) and/or calendar aging of such a battery can lead to changes in the shape of the battery cells over the life of the battery due to volume growth (often in the form of "bulging"). In connection with round cells, such a volume growth i. i.e. R. to an increased compression of components of the battery cell within the battery cell.

Ferner sind als Dehnungssensoren verwendbare Kohlenstofffasern bekannt, bei welchen die intrinsische Leitfähigkeit unter Ausnutzung des piezo-resistiven Effektes zur Dehnungsmessung geeignet ist.Furthermore, carbon fibers that can be used as strain sensors are known, in which the intrinsic conductivity is suitable for strain measurement using the piezoresistive effect.

Des Weiteren sind faseroptische Sensoren (FOS) bekannt, welche äußerst kompakt sowie elektromagnetisch und chemisch unempfindlich sind. Hierbei verwendete Fasergitter erlauben die Realisierung hochempfindlicher lokalisierter faseroptischer Sensoren zur Dehnungs- und/oder Temperaturerfassung.Furthermore, fiber optic sensors (FOS) are known, which are extremely compact and electromagnetically and chemically insensitive. Fiber gratings used here allow the realization of highly sensitive, localized fiber-optic sensors for measuring strain and/or temperature.

DE 102014219720 A1 betrifft eine Batterie mit einem Batteriegehäuse, einer Batteriezelle und einem Sensor, welcher zumindest einen Dehnungssensor enthält oder daraus besteht, welcher dazu eingerichtet ist, eine Größenänderung des Batteriegehäuses und/oder der Batteriezelle zu erfassen. In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Sensor zumindest einen faseroptischen Sensor enthält. DE 102014219720 A1 relates to a battery with a battery housing, a battery cell and a sensor, which contains or consists of at least one strain sensor, which is designed to detect a change in size of the battery housing and/or the battery cell. In one embodiment it is proposed that the sensor contains at least one fiber optic sensor.

EP 3211396 A1 betrifft einen Sensor, der definiert vorgeschädigte Kohlenstofffasern in einer Kunststoffmatrix vorsieht und der integralen oder einer ortsauflösenden Bestimmung von Dehnungen und Schädigungen des Materials auf dem bzw. in dem er angeordnet ist, dient. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors angegeben. EP 3211396 A1 relates to a sensor which provides defined pre-damaged carbon fibers in a plastic matrix and which is used for the integral or spatially resolved determination of strains and damage to the material on or in which it is arranged. In addition, a method for producing such a sensor is specified.

„Multifunktionale Bauteile aus Carbonbeton - Integrierte textilbasierte Sensorlösungen zur In-Situ-Strukturüberwachung adaptiver Gebäudehüllen“, Eric Häntzsche et al., 18. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2016, beschreibt eine kontinuierliche In-Situ-Überwachung von Strukturen mittels neuartiger Textilbetonbauteile, welche mit textilen Sensornetzwerken, bestehend aus piezoresistiven Carbonfaser-Sensoren und faseroptischen Sensoren, ausgerüstet sind."Multifunctional components made of carbon concrete - integrated textile-based sensor solutions for in-situ structural monitoring of adaptive building envelopes", Eric Häntzsche et al., 18th GMA/ITG conference on sensors and measuring systems 2016, describes continuous in-situ monitoring of structures using innovative textile-reinforced concrete components , which are equipped with textile sensor networks consisting of piezoresistive carbon fiber sensors and fiber optic sensors.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Veränderungen von Größen wie ein Volumen und/oder eine Form und/oder eine Temperatur, die eine Batteriezelle betreffen, auf Basis von Sensorfasern frühzeitig und/oder besonders zuverlässig zu erkennen.It is an object of the present invention to detect changes in variables such as a volume and/or a shape and/or a temperature that affect a battery cell at an early stage and/or in a particularly reliable manner on the basis of sensor fibers.

Die Lösung der vorstehend identifizierten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The problem identified above is solved by the features of the independent claims. The dependent claims relate to preferred developments of the invention.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche einen Elektrodenstapel, eine Sensorfaser und ein Gehäuse aufweist. Unter dem Elektrodenstapel sollen nachfolgend sämtliche an diesem Stapel beteiligte Lagen verstanden werden, d. h. auch solche Lagen, die nicht als eigentliche Elektroden der Batteriezelle ausgebildet sind, wie zum Beispiel Separatorlagen. Hinsichtlich eines Aufbaus und verwendeter Materialien entspricht der Elektrodenstapel im Wesentlichen einem aus dem Stand der Technik bekannten Elektrodenstapel, in welchem eine Kathodenlage und eine Anodenlage vorzugsweise durch eine Beschichtung eines Trägermaterials (z. B. eine Trägerfolie) mittels einer Beschichtungspaste (engl. „slurry“) ausgebildet werden und in welcher die Anodenlage und die Kathodenlage mittels Separatorlagen voneinander getrennt sind. Neben einer solchen Form einer Nassbeschichtung ist es auch möglich, ein Trockenbeschichtungsverfahren einzusetzen. Auch hinsichtlich einer mit dem Elektrodenstapel in Kontakt stehenden Zellchemie der Batteriezelle wird eine Verwendung einer aus dem Stand der Technik bekannten Zellchemie vorgeschlagen, weshalb bezüglich der grundsätzlichen Ausbildung des Elektrodenstapels und der Zellchemie auf den Stand der Technik verwiesen wird. Der Elektrodenstapel und die Sensorfaser sind wenigstens teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Bevorzugt sind sowohl der Elektrodenstapel als auch die Sensorfaser in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet, wobei die Sensorfaser alternativ auch derart angeordnet sein kann, dass sie sich teilweise innerhalb des Gehäuses befindet, während ihre jeweiligen Enden aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Die Sensorfaser steht zumindest teilweise in einem thermischen und/oder einem mechanischen Kontakt mit dem Elektrodenstapel und ist eingerichtet, mit einem Messsignal beaufschlagt zu werden und das Messsignal in Übereinstimmung mit einer Veränderung wenigstens einer den Elektrodenstapel betreffenden Größe zu variieren. Die Sensorfaser ist bevorzugt derart in Kontakt stehend mit dem Elektrodenstapel angeordnet, dass die Veränderung der den Elektrodenstapel betreffenden Größe bereits bei geringen Änderungen durch die Sensorfaser erfassbar ist.According to a first aspect of the present invention, a battery cell is proposed which has an electrode stack, a sensor fiber and a housing. Below, the electrode stack should be understood to mean all the layers involved in this stack, ie also those layers which are not designed as actual electrodes of the battery cell, such as separator layers, for example. In terms of structure and materials used, the electrode stack essentially corresponds to an electrode stack known from the prior art, in which a cathode layer and an anode layer are preferably formed by coating a carrier material (e.g. a carrier film) using a coating paste (slurry). ) are formed and in which the anode layer and the cathode layer are separated from one another by means of separator layers. Besides such a form of wet coating, it is also possible to use a dry coating method. The use of a cell chemistry known from the prior art is also proposed with regard to the cell chemistry of the battery cell in contact with the electrode stack, which is why reference is made to the prior art with regard to the basic design of the electrode stack and the cell chemistry. The electrode stack and the sensor fiber are at least partially disposed within the housing. Both the electrode stack and the sensor fiber are preferably arranged in an interior space of the housing, whereby the sensor fiber can alternatively also be arranged in such a way that it is partly located inside the housing, while its respective ends are led out of the housing. The sensor fiber is at least partially in thermal and/or mechanical contact with the electrode stack and is set up to be subjected to a measurement signal and the measurement signal in accordance with a change to vary at least one variable relating to the electrode stack. The sensor fiber is preferably arranged in contact with the electrode stack in such a way that the change in the variable relating to the electrode stack can be detected by the sensor fiber even if there are small changes.

Die Batteriezelle bietet den besonderen Vorteil, dass auf Basis der Verwendung und der Anordnung der Sensorfaser Zustandsänderungen des Elektrodenstapels unmittelbar am Entstehungsort erfasst werden können. Auf diese Weise lässt sich eine Zustandsüberwachung für die Batteriezelle realisieren, die bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt Informationen hinsichtlich einer bereits geringen Veränderung innerhalb der Batteriezelle bereitstellen kann. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Batteriezellen, welche Sensoren vorsehen, die eine Zustandsänderung eines Gehäuses dieser Batterie erfassen können. Je nach Ausgestaltung der Batteriezelle können zu Zeitpunkten, zu denen in einer solchen herkömmlichen Batteriezelle Veränderungen des Gehäuses feststellbar sind, bereits fortgeschrittene Beschädigungen im Inneren der Batteriezelle vorliegen, die sich erst zu einem im Vergleich zur vorliegenden Erfindung sehr späten Zeitpunkt auf das Gehäuse auswirken. Dies stellt insbesondere im Zusammenhang mit Rundzellen ein besonders gravierendes Problem dar, da sich hier Veränderungen eines Elektrodenstapels und/oder einer Zellchemie teilweise gar nicht auf das Gehäuse selbst auswirken, da diese Veränderungen vorwiegend nach innen wirken. Auf Basis einer Veränderung der wenigstens einen Größe und insbesondere auf Basis einer Auswertung eines Ausmaßes einer solchen Veränderung, lässt sich beispielsweise ein Alterungszustand der Batteriezelle ableiten. Besonders vorteilhaft lassen sich aber potentiell kritische Veränderungen der Zellchemie und/oder Kurzschlüsse innerhalb des Elektrodenstapels frühzeitig ermitteln, so dass ein daraus potentiell resultierendes thermisches Ereignis durch geeignete Gegenmaßnahmen vermieden werden kann. Dementsprechend lässt sich unter Verwendung der erfindungsgemäßen Batteriezelle eine Sicherheit beim Einsatz einer solchen Batteriezelle erhöhen, was insbesondere bei einer Verwendung eines Verbundes aus einer Vielzahl von Batteriezellen innerhalb einer Batterie vorteilhaft zum Tragen kommen kann.The battery cell offers the particular advantage that, based on the use and arrangement of the sensor fiber, changes in the state of the electrode stack can be detected directly at the point of origin. In this way, status monitoring for the battery cell can be implemented, which can already provide information regarding an already small change within the battery cell at a very early point in time. This is in contrast to conventional battery cells, which provide sensors that can detect a change in the state of a housing of this battery. Depending on the design of the battery cell, at the time when changes to the housing can be detected in such a conventional battery cell, there may already be advanced damage inside the battery cell, which only affects the housing at a very late point in time compared to the present invention. This represents a particularly serious problem in connection with round cells in particular, since here changes in an electrode stack and/or a cell chemistry sometimes do not affect the housing itself at all, since these changes mainly have an inward effect. On the basis of a change in the at least one variable and in particular on the basis of an evaluation of the extent of such a change, an aging state of the battery cell can be derived, for example. In a particularly advantageous manner, however, potentially critical changes in the cell chemistry and/or short circuits within the electrode stack can be determined at an early stage, so that a thermal event potentially resulting therefrom can be avoided by suitable countermeasures. Accordingly, using the battery cell according to the invention can increase safety when using such a battery cell, which can be advantageous in particular when using a combination of a large number of battery cells within a battery.

Bevorzugt repräsentiert die den Elektrodenstapel betreffende Größe ein Volumen und/oder eine Form und/oder eine Temperatur des Elektrodenstapels. Mit anderen Worten ist die Sensorfaser beispielsweise derart in mechanischem Kontakt stehend mit dem Elektrodenstapel angeordnet, dass eine Volumenänderung des Elektrodenstapels, insbesondere eine Ausdehnung des Volumens des Elektrodenstapels, zu einer Dehnung der Sensorfaser führt. Indem die Sensorfaser in diesem Fall vorteilhaft eingerichtet ist, ihren elektrischen Widerstand bzw. Leitwert in Übereinstimmung mit einem Ausmaß einer Dehnung der Sensorfaser zu verändern, lässt sich beispielsweise mittels eines die Sensorfaser durchlaufenden elektrischen Messsignals ein Ausmaß der Dehnung der Sensorfaser ermitteln. Besonders vorteilhaft ist die Sensorfaser hierfür im Wesentlichen orthogonal zu einer erwarteten Hauptausdehnungsrichtung des Elektrodenstapels angeordnet, ohne dadurch auf eine solche Art der Anordnung eingeschränkt zu sein. Analog hierzu ist es auch möglich, eine Formänderung (z. B. eine Krümmung usw.) des Elektrodenstapels mittels der Sensorfaser zu erfassen.The variable relating to the electrode stack preferably represents a volume and/or a shape and/or a temperature of the electrode stack. In other words, the sensor fiber is arranged in mechanical contact with the electrode stack, for example, such that a change in volume of the electrode stack, in particular an expansion of the volume of the electrode stack, leads to a stretching of the sensor fiber. Since the sensor fiber is advantageously set up in this case to change its electrical resistance or conductance in accordance with the extent of a stretching of the sensor fiber, the extent of the stretching of the sensor fiber can be determined, for example, by means of an electrical measurement signal passing through the sensor fiber. For this purpose, the sensor fiber is particularly advantageously arranged essentially orthogonally to an expected main extension direction of the electrode stack, without thereby being restricted to such a type of arrangement. Analogously to this, it is also possible to detect a change in shape (eg a curvature, etc.) of the electrode stack using the sensor fiber.

Die Sensorfaser ist beispielsweise so angeordnet, dass sie in Kontakt mit einer Anodenlage und/oder einer Kathodenlage und/oder einer Separatorlage des Elektrodenstapels der Batteriezelle steht. Hierfür ist die Sensorfaser beispielsweise zwischen zwei der vorstehend genannten Lagen des Elektrodenstapels angeordnet. Da die Anodenlage und die Kathodenlage normalerweise durch eine Separatorlage getrennt sind, ist die Sensorfaser beispielsweise zwischen der Anodenlage und der Separatorlage und/oder zwischen der Kathodenlage und der Separatorlage angeordnet. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Sensorfaser in Kontakt mit einer Separatorlage steht, welche den Elektrodenstapel einseitig oder beidseitig einschließt. Alternativ oder zusätzliche ist die Sensorfaser an einer Außenfläche des Elektrodenstapels angeordnet. Für den Fall, dass die Batteriezelle beispielsweise als Rundzelle ausgebildet ist, welche in der Regel einen als Hohlzylinder ausgebildeten Elektrodenstapel aufweist, soll unter der Außenfläche zur Anordnung der Sensorfaser sowohl eine nach außen weisende Fläche eines Außenzylinders des Hohlzylinders, als auch eine nach innen weisende Fläche eines Innenzylinders des Hohlzylinders verstanden werden. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Sensorfaser mehrfach durch bzw. entlang des Elektrodenstapels geführt ist und dabei jeweils mit unterschiedlichen Lagen des Elektrodenstapels in thermischem und/oder mechanischem Kontakt steht.The sensor fiber is arranged, for example, in such a way that it is in contact with an anode layer and/or a cathode layer and/or a separator layer of the electrode stack of the battery cell. For this purpose, the sensor fiber is arranged, for example, between two of the aforementioned layers of the electrode stack. Since the anode layer and the cathode layer are normally separated by a separator layer, the sensor fiber is arranged, for example, between the anode layer and the separator layer and/or between the cathode layer and the separator layer. In addition, it is also conceivable for the sensor fiber to be in contact with a separator layer which encloses the electrode stack on one or both sides. Alternatively or additionally, the sensor fiber is arranged on an outer surface of the electrode stack. If the battery cell is designed as a round cell, for example, which usually has an electrode stack designed as a hollow cylinder, both an outward-facing surface of an outer cylinder of the hollow cylinder and an inward-facing surface should be located under the outer surface for arranging the sensor fiber an inner cylinder of the hollow cylinder can be understood. In addition, it is conceivable that the sensor fiber is guided multiple times through or along the electrode stack and is in thermal and/or mechanical contact with different layers of the electrode stack.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Sensorfaser integral und/oder stoffschlüssig mit einer Beschichtung, insbesondere einer Elektrodenbeschichtung des Elektrodenstapels ausgebildet. Unter der Elektrodenbeschichtung soll die vorstehend erwähnte Nassbeschichtung und/oder Trockenbeschichtung eines Trägermaterials zur Ausbildung der jeweiligen Elektroden der Batteriezelle verstanden werden. Im beispielhaften Fall einer Nassbeschichtung mittels eines „slurrys“ ist es möglich, die Sensorfaser in die nasse Elektrodenbeschichtung einzubringen, bzw. diese vor dem Aufbringen der Elektrodenbeschichtung auf dem Trägermaterial anzuordnen. Dies führt dazu, dass die Sensorfaser nach der Trocknung der Elektrodenbeschichtung formschlüssig mit der Elektrode verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich ist es auf diese Weise auch möglich, die Sensorfaser in einer möglichen Beschichtung der Separatorlage(n) formschlüssig einzubetten.In an advantageous embodiment of the present invention, the sensor fiber is formed integrally and/or cohesively with a coating, in particular an electrode coating of the electrode stack. The electrode coating is to be understood as meaning the aforementioned wet coating and/or dry coating of a carrier material for forming the respective electrodes of the battery cell. In the exemplary case of a wet coating using a “slurry”, it is possible to introduce the sensor fiber into the wet electrode coating, or to introduce it before the electrode coating is applied device to be arranged on the carrier material. This means that the sensor fiber is positively connected to the electrode after the electrode coating has dried. Alternatively or additionally, it is also possible in this way to embed the sensor fiber in a possible coating of the separator layer(s) in a form-fitting manner.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Sensorfaser an wenigstens zwei voneinander abweichenden Positionen am Elektrodenstapel und/oder abseits des Elektrodenstapels befestigt. Hierfür ist die Sensorfaser beispielsweise an zwei gegenüberliegenden Punkten des Gehäuses und oder an zwei gegenüberliegenden Punkten eines im Gehäuse angeordneten Innengehäuses fixiert (z. B. verklemmt und/oder verklebt und/oder verschweißt), während der Elektrodenstapel zwischen diesen beiden Punkten angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Sensorfaser teilweise oder vollständig an wenigstens einer Lage des Elektrodenstapels verklebt und/oder wie vorstehend beschrieben in eine Beschichtung des Elektrodenstapels eingebettet und/oder anderweitig am Elektrodenstapel fixiert. Vorteilhaft ist die Sensorfaser zwischen den wenigstens zwei Positionen im Wesentlichen geradlinig und/oder unter einer vordefinierten Vorspannung angeordnet, sodass bei einer Volumen- und/oder Formänderung des Elektrodenstapels eine unmittelbare Dehnungsänderung der Sensorfaser bewirkt wird, was wiederum zu einer besonders genauen und/oder frühzeitigen Bestimmung der Volumen- und/oder Formänderung des Elektrodenstapels führen kann. Allgemein kann die Sensorfaser an den wenigstens zwei voneinander abweichenden Positionen stoffschlüssig (z. B. verklebt und/oder verschweißt) und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig befestigt sein. Eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung lässt sich beispielsweise an gegenüber angeordneten Haltern und/oder Klemmvorrichtungen des Gehäuses und/oder des Innengehäuses der Batteriezelle herstellen, ohne darauf beschränkt zu sein. Solche Halter und/oder Klemmvorrichtungen sind beispielsweise im Bereich eines Deckels und eines Bodens der Batteriezelle angeordnet.In a further advantageous embodiment of the present invention, the sensor fiber is attached to at least two different positions on the electrode stack and/or away from the electrode stack. For this purpose, the sensor fiber is fixed (e.g. clamped and/or glued and/or welded) at two opposite points of the housing and/or at two opposite points of an inner housing arranged in the housing, while the electrode stack is arranged between these two points. Alternatively or additionally, the sensor fiber is partially or completely glued to at least one layer of the electrode stack and/or embedded in a coating of the electrode stack as described above and/or otherwise fixed to the electrode stack. Advantageously, the sensor fiber is arranged between the at least two positions essentially in a straight line and/or under a predefined prestress, so that a change in volume and/or shape of the electrode stack causes an immediate change in strain of the sensor fiber, which in turn leads to a particularly precise and/or early Determination of the volume and / or shape change of the electrode stack can lead. In general, the sensor fiber can be attached to the at least two positions that deviate from one another in a materially bonded manner (e.g. glued and/or welded) and/or in a force-fitting and/or form-fitting manner. A force-fitting and/or form-fitting connection can be produced, for example, on oppositely arranged holders and/or clamping devices of the housing and/or the inner housing of the battery cell, without being limited thereto. Such holders and/or clamping devices are arranged, for example, in the area of a cover and a base of the battery cell.

Besonders vorteilhaft ist die Sensorfaser eine Kohlenstofffaser, deren elektrischer Leitwert bzw. Widerstand in Abhängigkeit eines Ausmaßes einer Dehnung der Kohlenstofffaser variiert. In diesem Fall wird als Messsignal vorzugsweise eine vordefinierte elektrische Spannung an die jeweiligen Enden der Sensorfaser angelegt, um auf Basis einer hiermit korrespondierenden Strommessung Änderungen des Leitwertes bzw. des Widerstandes der Kohlenstofffaser ermitteln zu können. Alternativ ist die Sensorfaser eine Glasfaser, deren optische Eigenschaften in Abhängigkeit eines Ausmaßes einer Dehnung und/oder einer Höhe einer Temperatur der Glasfaser variiert. Hierfür wird eine Anwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten faseroptischen Sensors mit einem Fasergitter (Faser-Bragg-Gitter) vorgeschlagen, welcher im Falle einer einwirkenden Dehnung und/oder Temperaturänderung eine messbare spektrale Verschiebung einer Fasergitterresonanz bewirkt. Entsprechend wird in diesem Fall als Messsignal vorzugsweise Licht mit vordefinierten physikalischen Eigenschaften in ein Ende der Sensorfaser eingespeist und aus dem jeweils anderen Ende der Sensorfaser entnommen, um Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Lichtes durch Einflüsse des Elektrodenstapels auf die Sensorfaser auswerten zu können.The sensor fiber is particularly advantageously a carbon fiber whose electrical conductance or resistance varies as a function of the extent to which the carbon fiber is stretched. In this case, a predefined electrical voltage is preferably applied to the respective ends of the sensor fiber as a measurement signal in order to be able to determine changes in the conductance or the resistance of the carbon fiber on the basis of a current measurement that corresponds thereto. Alternatively, the sensor fiber is a glass fiber, the optical properties of which vary depending on an extent of an elongation and/or a level of a temperature of the glass fiber. For this purpose, an application of a fiber optic sensor known from the prior art with a fiber grating (fiber Bragg grating) is proposed, which causes a measurable spectral shift of a fiber grating resonance in the event of an acting strain and/or temperature change. In this case, light with predefined physical properties is preferably fed into one end of the sensor fiber as a measurement signal and removed from the respective other end of the sensor fiber in order to be able to evaluate changes in the physical properties of the light due to the influence of the electrode stack on the sensor fiber.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Sensorfaser und/oder eine Vielzahl von Sensorfasern jeweils einfach oder mehrfach entlang des Elektrodenstapels geführt. Dies erfolgt beispielsweise durch eine schleifenförmige Anordnung der Sensorfaser, indem die Sensorfaser nach einem jeweiligen Durchlaufen des Elektrodenstapels außerhalb oder in jeweiligen Randbereichen des Elektrodenstapels schleifenförmig zurückgeführt wird, während die Abschnitte der Sensorfaser, die mit dem Elektrodenstapel in mechanischem und/oder thermischen Kontakt stehen, vorzugsweise geradlinig und/oder parallel angeordnet sind. Für den Fall, dass die Sensorfaser keine ausreichende Flexibilität für eine schleifenförmige Anordnung aufweisen sollte, ist es auch denkbar, mehrere unabhängige Sensorfasern parallel oder nicht parallel durch den Elektrodenstapel zu führen und diese an jeweiligen Endabschnitten mittels eines Verbindungsmaterials („schleifenförmig“) miteinander zu verbinden, wobei das Verbindungsmaterial aus demselben Material wie die Sensorfaser und/oder aus einem davon abweichenden Material ausgebildet sein kann, solange das Verbindungsmaterial eine Übertragung des Messsignals von einer einzelnen Sensorfaser zur nächsten ermöglicht. Jeweilige Verbindungen zwischen den einzelnen Sensorfasern und dem Verbindungsmaterial können stoffschlüssige (z. B. eine Klebe- und/oder Schweißverbindung) und/oder kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindungen sein. Im Falle einer Verwendung einer Kohlenstofffaser zur Messung von Änderungen des Widerstandes bzw. des Leitwertes einer solchen Sensorfaser, ist es beispielsweise möglich, einen Draht wie einen Kupferdraht usw. als Verbindungsmaterial zu verwenden, welcher z. B. mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes mit den jeweiligen Sensorfasern verbunden wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine oder mehrere Sensorfasern gitterförmig innerhalb des Elektrodenstapels anzuordnen, um beispielsweise Ausdehnungen des Elektrodenstapels in mehreren Richtungen erfassen zu können und/oder um ggf. einen Ort einer Ausdehnung lokalisieren zu können sofern die Sensorfasern einzeln auswertbar sind. Darüber hinaus sind hiervon abweichende Anordnungsvarianten der Sensorfaser bzw. einer Vielzahl von Sensorfasern möglich. Ferner ist es möglich die Enden jeweiliger Sensorfasern auf ein und derselben Seite des Elektrodenstapels oder an voneinander abweichenden, insbesondere gegenüberliegenden Seiten des Elektrodenstapels anzuordnen. Je nach Ausprägung der Batteriezelle und/oder Anordnung einer Vielzahl solcher Batteriezellen in einer Batterie, kann es von Vorteil sein, die jeweiligen Enden der Sensorfasern beispielsweise im Bereich eines Deckels und im Bereich eines Bodens der Batteriezelle für eine Messung nach außen zu kontaktieren. Hingegen kann es auch von Vorteil sein, die Enden der Sensorfasern auf ein und derselben Seite der Batteriezelle (zum Beispiel im Bereich des Deckels oder des Bodens) nach außen zu kontaktieren. Es sei zudem darauf hingewiesen, dass im Fall einer Verwendung einer Vielzahl von Sensorfasern eine vorteilhafte Kombination von Kohlenstofffasern und Glasfasern innerhalb der Batteriezelle angeordnet werden kann.In a further advantageous embodiment of the present invention, the sensor fiber and/or a multiplicity of sensor fibers are each guided once or multiple times along the electrode stack. This is done, for example, by arranging the sensor fiber in a loop, in that after passing through the electrode stack, the sensor fiber is guided back in a loop outside or in the respective edge regions of the electrode stack, while the sections of the sensor fiber that are in mechanical and/or thermal contact with the electrode stack are preferably are arranged in a straight line and/or parallel. In the event that the sensor fiber does not have sufficient flexibility for a loop-shaped arrangement, it is also conceivable to run several independent sensor fibers in parallel or not parallel through the electrode stack and to connect them to each other at the respective end sections by means of a connecting material (“loop-shaped”) , It being possible for the connecting material to be made from the same material as the sensor fiber and/or from a different material, as long as the connecting material enables the measurement signal to be transmitted from one individual sensor fiber to the next. The respective connections between the individual sensor fibers and the connection material can be materially bonded (e.g. an adhesive and/or welded connection) and/or force-fitting and/or form-fitting connections. In the case of using a carbon fiber for measuring changes in the resistance or the conductance of such a sensor fiber, it is possible, for example, to use a wire such as a copper wire etc. as the connecting material, which z. B. is connected to the respective sensor fibers by means of an electrically conductive adhesive. Alternatively or additionally, it is possible to arrange one or more sensor fibers in a lattice within the electrode stack in order, for example, to be able to detect expansions of the electrode stack in several directions and/or to be able to localize a location of an expansion if the sensor fibers can be evaluated individually. In addition, different arrangement variants of the sensor fiber or a large number of sensor fibers are possible. Furthermore, it is possible to arrange the ends of respective sensor fibers on one and the same side of the electrode stack or on sides of the electrode stack that differ from one another, in particular opposite sides. Depending on the characteristics of the battery cell and/or the arrangement of a large number of such battery cells in a battery, it can be advantageous to contact the respective ends of the sensor fibers, for example in the area of a cover and in the area of a base of the battery cell, for an external measurement. On the other hand, it can also be advantageous to contact the ends of the sensor fibers on one and the same side of the battery cell (e.g. in the area of the cover or the base) to the outside. It should also be pointed out that if a large number of sensor fibers are used, an advantageous combination of carbon fibers and glass fibers can be arranged within the battery cell.

Bevorzugt weist die Batteriezelle eine interne und/oder eine externe Sensorschnittstelle auf, welche beispielsweise in einer Wandung des Gehäuses angeordnet und welche mit der Sensorfaser informationstechnisch gekoppelt ist. Dies schließt auch die Möglichkeit ein, dass die Sensorschnittstelle durch jeweilige Enden der Sensorfaser repräsentiert wird, welche beispielsweise fluchtend in die Wandung des Gehäuses integriert sind oder welche aus der Wandung des Gehäuses nach außen aus der Batteriezelle herausgeführt sind. Die Sensorschnittstelle und/oder die aus dem Gehäuse herausgeführten Enden der Sensorfaser sind beispielsweise im und/oder am Gehäuse verklebt und/oder mittels eines Dichtmittels und/oder eines Dichtelements luftdicht und/oder flüssigkeitsdicht mit dem Gehäuse verbunden. Die Sensorschnittstelle ist allgemein eingerichtet, das Messsignal in die Sensorfaser einzuspeisen und das durch die Sensorfaser übertragene Messsignal aus der Sensorfaser herauszuführen. Die Sensorschnittstelle ist beispielsweise eine optische und/oder eine elektrische Schnittstelle, wobei eine optische Schnittstelle beispielsweise ein Abschnitt eines Lichtwellenleiters und/oder eine optische Steckverbindung und/oder eine Optik usw. ist und wobei eine elektrische Schnittstelle beispielsweise eine Kontaktfläche und/oder eine elektrische Steckverbindung und/oder eine elektrische Schraub- und/oder Klemmverbindung ist. Es ist zudem möglich, dass ein elektrisches Messsignal für eine in der Batteriezelle verwendete Kohlenstofffaser zwischen der Sensorschnittstelle und der Sensorfaser in ein optisches Messsignal überführt wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Wandlereinheit der Batteriezelle, welche informationstechnisch mit der Kohlenstofffaser verbunden ist und welche eingerichtet ist, das elektrische Messsignal zu empfangen und in Verbindung mit einem Leuchtmittel wie einer LED o. ä. in ein korrespondierendes optisches Signal zu wandeln. Die LED kann mit der optischen Schnittstelle der Batteriezelle optisch gekoppelt sein, oder selbst die optische Schnittstelle der Batteriezelle repräsentieren. Umgekehrt ist es auf ähnliche Weise möglich, ein optisches Messsignal für eine in der Batteriezelle verwendete Glasfaser mittels einer Wandlereinheit der Batteriezelle in ein elektrisches Signal zu wandeln und dieses über eine elektrische Sensorschnittstelle nach außen bereitzustellen. Hierfür ist die Wandlereinheit beispielsweise mittels einer Photodiode informationstechnisch mit demjenigen Ende der Sensorfaser verbunden, welches das Messsignal ausgibt. Darüber hinaus ist es möglich, das Messsignal innerhalb und/oder außerhalb der Batteriezelle zu erzeugen und/oder zu verarbeiten. Hierfür lässt sich innerhalb der Batteriezelle beispielsweise vorstehend beschriebene Wandlereinheit und/oder ein davon abweichender Messsignalgenerator einsetzen.The battery cell preferably has an internal and/or an external sensor interface, which is arranged, for example, in a wall of the housing and which is coupled to the sensor fiber in terms of information technology. This also includes the possibility that the sensor interface is represented by respective ends of the sensor fiber, which are integrated, for example, aligned in the wall of the housing or which are led out of the wall of the housing to the outside of the battery cell. The sensor interface and/or the ends of the sensor fiber leading out of the housing are, for example, glued in and/or on the housing and/or connected to the housing in an airtight and/or liquid-tight manner by means of a sealant and/or a sealing element. The sensor interface is generally set up to feed the measurement signal into the sensor fiber and to lead the measurement signal transmitted through the sensor fiber out of the sensor fiber. The sensor interface is, for example, an optical and/or an electrical interface, an optical interface being, for example, a section of an optical waveguide and/or an optical plug connection and/or an optical system, etc., and an electrical interface being a contact surface and/or an electrical plug connection, for example and/or an electrical screw and/or clamp connection. It is also possible for an electrical measurement signal for a carbon fiber used in the battery cell to be converted into an optical measurement signal between the sensor interface and the sensor fiber. This is done, for example, by means of a converter unit of the battery cell, which is connected to the carbon fiber in terms of information technology and which is set up to receive the electrical measurement signal and, in conjunction with a light source such as an LED or the like, to convert it into a corresponding optical signal. The LED can be optically coupled to the optical interface of the battery cell, or itself represent the optical interface of the battery cell. Conversely, it is possible in a similar way to convert an optical measurement signal for a glass fiber used in the battery cell into an electrical signal using a converter unit of the battery cell and to provide this to the outside via an electrical sensor interface. For this purpose, the converter unit is connected in terms of information technology to that end of the sensor fiber which outputs the measurement signal, for example by means of a photodiode. In addition, it is possible to generate and/or process the measurement signal inside and/or outside the battery cell. For this purpose, the converter unit described above and/or a different measurement signal generator can be used within the battery cell, for example.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Batteriezelle eine Rundzelle, eine prismatische Zelle oder eine Pouch-Zelle. Alternativ oder zusätzlich ist die Batteriezelle eine nicht wiederaufladbare oder eine wiederaufladbare Batteriezelle und eingerichtet, in einer Primärbatterie oder in einer Sekundärbatterie verwendet zu werden. Weiter alternativ oder zusätzlich ist der der Elektrodenstapel innerhalb des Gehäuses der Batteriezelle aufgewickelt und/oder gefaltet angeordnet.In a further advantageous embodiment of the present invention, the battery cell is a round cell, a prismatic cell or a pouch cell. Alternatively or additionally, the battery cell is a non-rechargeable or a rechargeable battery cell and is set up to be used in a primary battery or in a secondary battery. Further alternatively or additionally, the electrode stack is arranged wound up and/or folded inside the housing of the battery cell.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batterie aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Auswerteeinheit vorgeschlagen, welche beispielsweise ein Bestandteil eines Batteriemanagementsystems der erfindungsgemäßen Batterie ist. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet sein. Die jeweiligen Sensorschnittstellen der Batteriezellen sind informationstechnisch, insbesondere elektrisch und/oder optisch mit der Auswerteeinheit verbunden, sodass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die Messsignale der jeweiligen Batteriezellen zu empfangen und auf Basis der Messsignale Zustände und insbesondere Fehlerzustände der jeweiligen Batteriezellen zu ermitteln. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.According to a second aspect of the present invention, a battery is proposed having a multiplicity of battery cells according to one of claims 1 to 9 and an evaluation unit, which is, for example, a component of a battery management system of the battery according to the invention. The evaluation unit can be designed, for example, as an ASIC, FPGA, processor, digital signal processor, microcontroller or the like. The respective sensor interfaces of the battery cells are connected to the evaluation unit in terms of information technology, in particular electrically and/or optically, so that the evaluation unit is set up to receive the measurement signals of the respective battery cells and to determine states and in particular error states of the respective battery cells on the basis of the measurement signals. The features, feature combinations and the resulting advantages correspond to those stated in connection with the first-mentioned aspect of the invention in such a way that, to avoid repetition, reference is made to the above statements.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Wicklung eines Elektrodenstapels einer erfindungsgemäßen Batteriezelle; und
3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie.

Further details, features and advantages of the invention result from the following description and the figures. Show it:

1 a schematic sectional view of a first embodiment of a battery cell according to the invention;
2 a schematic view of an embodiment of a winding of an electrode stack of a battery cell according to the invention; and
3 a schematic view of an embodiment of a battery according to the invention.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, welche weideraufladbar und demnach eingerichtet ist, in einer Sekundärbatterie verwendet zu werden. Die Batteriezelle ist hier als Rundzelle ausgebildet und umfasst einen Elektrodenstapel 10, der in einem Innenraum eines Gehäuses 30 der Batteriezelle angeordnet ist. Zur vereinfachten Darstellung ist ein Endabschnitt des Elektrodenstapelwickels in einem nicht gewickelten Zustand gezeigt. Der Elektrodenstapel 10 weist eine Anodenlage 12, eine Kathodenlage 14 und zwei Separatorlagen 16 auf, wobei die Separatorlagen 16 eingerichtet sind, die Anodenlage 12 und die Kathodenlage 14 voneinander zu trennen. Eine Zellchemie ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a battery cell according to the invention, which can be recharged and is therefore set up to be used in a secondary battery. The battery cell is designed here as a round cell and includes an electrode stack 10 which is arranged in an interior of a housing 30 of the battery cell. For ease of illustration, an end portion of the electrode stack coil is shown in an uncoiled state. The electrode stack 10 has an anode layer 12, a cathode layer 14 and two separator layers 16, the separator layers 16 being set up to separate the anode layer 12 and the cathode layer 14 from one another. Cell chemistry is not shown here for reasons of clarity.

Zwischen die Anodenlage 12 und eine der Separatorlagen 16 ist eine erfindungsgemäße Sensorfaser eingefügt, die hier als Kohlenstofffaser 20 ausgebildet ist und die in mechanischem Kontakt mit der Anodenlage 12 steht. Die Kohlenstofffaser 20 ist hier eine Faser, deren elektrischer Leitwert in Abhängigkeit eines Ausmaßes einer Dehnung der Kohlenstofffaser 20 variiert.A sensor fiber according to the invention is inserted between the anode layer 12 and one of the separator layers 16 , which is embodied here as a carbon fiber 20 and is in mechanical contact with the anode layer 12 . Here, the carbon fiber 20 is a fiber whose electric conductivity varies depending on an amount of elongation of the carbon fiber 20 .

Die Kohlenstofffaser 20 ist im fertig installierten Zustand der Batteriezelle an gegenüberliegenden Flächen eines im Gehäuse 30 angeordneten Innengehäuses 35 (welches den Elektrodenstapel 10 und die zugehörige Zellchemie enthält) der Batteriezelle in einem Zustand verklebt, in dem die Kohlenstofffaser 20 geradlinig und unter einer vordefinierten Vorspannung zwischen dem Elektrodenstapel 10 angeordnet ist.In the fully installed state of the battery cell, the carbon fiber 20 is bonded to opposite surfaces of an inner housing 35 arranged in the housing 30 (which contains the electrode stack 10 and the associated cell chemistry) of the battery cell in a state in which the carbon fiber 20 is straight and under a predefined prestress between the electrode stack 10 is arranged.

Auf diese Weise ist die Kohlenstofffaser 20 eingerichtet, mit einem Messsignal beaufschlagt zu werden und das Messsignal in Übereinstimmung mit einer Veränderung eines Volumens des Elektrodenstapels 10 durch eine Änderung des Leitwertes zu variieren, da die Volumenänderung des Elektrodenstapels 10 zu einer korrespondierenden Dehnung der Kohlenstofffaser 20 führt. Diese Leitwertänderung wird beispielsweise mittels einer erfindungsgemäßen (nicht gezeigten) externen Auswerteeinheit 50 ausgewertet, welche vorzugsweise eingerichtet ist, eine elektrische Spannung an jeweilige Enden 22, 24 der Kohlenstofffaser 20 anzulegen und einen durch die Kohlenstofffaser 20 fließenden Strom zur Leitwertermittlung zu messen.In this way, the carbon fiber 20 is set up to be subjected to a measurement signal and to vary the measurement signal in accordance with a change in the volume of the electrode stack 10 by changing the conductance, since the change in volume of the electrode stack 10 leads to a corresponding expansion of the carbon fiber 20 . This change in conductance is evaluated, for example, by means of an external evaluation unit 50 according to the invention (not shown), which is preferably set up to apply an electrical voltage to the respective ends 22, 24 of the carbon fiber 20 and to measure a current flowing through the carbon fiber 20 to determine the conductance.

2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Wicklung eines Elektrodenstapels 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, wobei der Elektrodenstapel 10 hier ein Elektrodenstapel 10 für eine prismatische Zelle ist. Der Elektrodenstapel 10 ist grundsätzlich ähnlich zum Elektrodenstapel 10 in 1 ausgebildet, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die diesbezügliche Beschreibung in 1 verwiesen wird. 2 shows a schematic view of an embodiment of a winding of an electrode stack 10 of a battery cell according to the invention, the electrode stack 10 here being an electrode stack 10 for a prismatic cell. The electrode stack 10 is basically similar to the electrode stack 10 in FIG 1 trained, which is why, to avoid repetition, refer to the relevant description in 1 is referenced.

Abweichend von 1 weist der hier gezeigte Elektrodenstapel 10 eine erste Glasfaser 20 und eine zweite Glasfaser 60 auf, welche jeweils durch den Elektrodenstapel 10 geführt sind. Die erste Glasfaser 20 steht in mechanischem und thermischem Kontakt mit der Anodenlage 14. Hierfür ist die erste Glasfaser 20 mehrfach schleifenförmig innerhalb einer Elektrodenbeschichtung 18 der Anodenlage 12 angeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass die erste Glasfaser 20 während der Herstellung der Anodenlage 14, welche sich zu diesem Zeitpunkt in einem nicht gewickelten Zustand befindet, in eine flüssige Beschichtung zum Ausbilden der Anodenlage 12 eingebracht wird und im Zuge der Trocknung der Beschichtung stoffschlüssig mit der Anodenlage 12 verbunden wird.Deviating from 1 the electrode stack 10 shown here has a first glass fiber 20 and a second glass fiber 60 which are each guided through the electrode stack 10 . The first glass fiber 20 is in mechanical and thermal contact with the anode layer 14. For this purpose, the first glass fiber 20 is arranged in multiple loops within an electrode coating 18 of the anode layer 12. This is achieved in that the first glass fiber 20 is introduced into a liquid coating for forming the anode layer 12 during the production of the anode layer 14, which is in a non-wound state at this point in time, and in the course of the drying of the coating is integrally bonded to the Anode layer 12 is connected.

Die zweite Glasfaser 60 ist orthogonal zu den Abschnitten der ersten Glasfaser 20 angeordnet, die in Kontakt mit dem Elektrodenstapel 10 stehen, wobei die zweite Glasfaser 60 innerhalb des Elektrodenstapels 10 derart zurückgeführt ist, dass ein erstes Ende 62 und ein zweites Ende 64 der zweiten Glasfaser 60 an derselben Seite des Elektrodenstapels 10 kontaktierbar sind. Die zweite Glasfaser 60 ist in dieser Ausführungsform mit einer Separatorlage 16 verklebt.The second optical fiber 60 is disposed orthogonally to the portions of the first optical fiber 20 that are in contact with the electrode stack 10, with the second optical fiber 60 being routed back within the electrode stack 10 such that a first end 62 and a second end 64 of the second optical fiber 60 can be contacted on the same side of the electrode stack 10 . In this embodiment, the second glass fiber 60 is glued to a separator layer 16 .

Die beiden Glasfasern 20, 60 sind jeweils Fasern, deren optische Eigenschaften in Abhängigkeit eines Ausmaßes einer Dehnung und einer Höhe einer Temperatur der Glasfasern 20, 60 variieren.The two glass fibers 20, 60 are each fibers whose optical properties vary depending on an amount of elongation and a level of temperature of the glass fibers 20, 60.

Eine durch vorstehend beschriebene Anordnung der beiden Glasfasern 20, 60 ausgebildete Gitterstruktur bietet u. a. den Vorteil, dass Veränderungen der Form und/oder des Volumens des Elektrodenstapels 10 an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlichen Richtungen erfasst werden können.A lattice structure formed by the above-described arrangement of the two glass fibers 20, 60 offers i.a. the advantage that changes in the shape and/or volume of the electrode stack 10 can be detected at different positions and in different directions.

3 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie. Die Batterie weist beispielsweise eine Vielzahl prismatischer Batteriezellen auf, deren jeweilige Pole 70 zur Bereitstellung und/oder Aufnahme elektrischer Energie parallel verschaltet sind. 3 shows a schematic view of an embodiment of a battery according to the invention. The battery has, for example, a variety pris matic battery cells, whose respective poles 70 are connected in parallel to provide and / or absorb electrical energy.

Zudem weist jede der Batteriezellen eine Sensorschnittstelle 40 auf, welche hier jeweils als elektrische Kontakte ausgebildet sind, die innerhalb jeweiliger Gehäuse 30 der Batteriezellen mit jeweiligen erfindungsgemäß angeordneten Kohlenstofffasern 20 elektrisch verbunden sind.In addition, each of the battery cells has a sensor interface 40, each of which is designed here as an electrical contact that is electrically connected to the respective carbon fibers 20 arranged according to the invention within the respective housing 30 of the battery cells.

Eine Auswerteeinheit 50, welche hier ein Bestandteil eines (nicht gezeigten) Batteriemanagementsystems ist, ist über Drähte, die mit den elektrischen Kontakten verlötet sind, elektrisch mit den jeweiligen Sensorschnittstellen 40 verbunden und auf Basis dieser Konfiguration eingerichtet, eine elektrische Spannung an die elektrischen Kontakte anzulegen, um auf Basis einer Messung eines durch die jeweiligen Kohlenstofffasern 20 fließenden Stroms eine Veränderung jeweiliger Elektrodenstapel 10 zu ermitteln. Das Anlegen der Spannung und das Messen des Stroms erfolgt aus Gründen einer Energieeinsparung nicht permanent, sondern in vordefinierten zeitlichen Abständen.An evaluation unit 50, which is part of a battery management system (not shown) here, is electrically connected to the respective sensor interfaces 40 via wires that are soldered to the electrical contacts and is set up to apply an electrical voltage to the electrical contacts on the basis of this configuration , in order to determine a change in the respective electrode stacks 10 on the basis of a measurement of a current flowing through the respective carbon fibers 20 . In order to save energy, the voltage is not applied and the current is measured at predefined intervals.

Ebenfalls in vordefinierten zeitlichen Abständen erfolgt ein Aussenden eines Zustandssignals S durch die Auswerteeinheit 50, welches Informationen über jeweilige Zustände der Batteriezellen repräsentiert, die auf Basis der gemessenen Leitwerte der Kohlenstofffasern 20 durch die Auswerteeinheit 50 ermittelt werden.Also at predefined time intervals, a status signal S is sent by the evaluation unit 50, which represents information about the respective statuses of the battery cells, which are determined by the evaluation unit 50 on the basis of the measured conductance values of the carbon fibers 20.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Elektrodenstapelelectrode stack
1212: Anodenlageanode layer
1414: Kathodenlagecathode layer
1616: Separatorlageseparator layer
1818: Elektrodenbeschichtungelectrode coating
2020: erste Sensorfaserfirst sensor fiber
2222: erstes Ende der ersten Sensorfaserfirst end of the first sensor fiber
2424: zweites Ende der ersten Sensorfasersecond end of the first sensor fiber
3030: GehäuseHousing
4040: Sensorschnittstellesensor interface
5050: Auswerteeinheitevaluation unit
6060: zweite Sensorfasersecond sensor fiber
6262: erstes Ende der zweiten Sensorfaserfirst end of the second sensor fiber
6464: zweites Ende der zweiten Sensorfasersecond end of the second sensor fiber
7070: PolePoles
SS: Zustandssignalstatus signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102014219720 A1 [0006]
EP 3211396 A1 [0007]

Claims

Battery cell having: • an electrode stack (10), • a sensor fiber (20), and • a housing (30), wherein • the electrode stack (10) and the sensor fiber (20) are at least partially arranged within the housing (30), and • the sensor fiber (20) ◯ is at least partially in thermal and/or mechanical contact with the electrode stack (10), and ◯ is set up to be supplied with a measurement signal and to vary the measurement signal in accordance with a change in at least one variable relating to the electrode stack (10).

battery cell after claim 1 , wherein the variable relating to the electrode stack (10) represents a volume and/or a shape and/or a temperature of the electrode stack (10).

Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the sensor fiber (20) • is in contact with an anode layer (12) and/or a cathode layer (14) and/or a separator layer (16) of the electrode stack (10) of the battery cell, and/or • is arranged between two layers (12, 14, 16) of the electrode stack (10), and/or • is arranged on an outer surface of the electrode stack (10).

Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the sensor fiber (20) is formed integrally and/or cohesively with a coating (18) of the electrode stack (10).

Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the sensor fiber (20) • is attached to at least two different positions on the electrode stack (10) and/or away from the electrode stack (10), and/or • is arranged between the at least two positions essentially in a straight line and/or under a predefined prestress, and/or • is attached to the at least two positions in a material-to-material and/or non-positive and/or positive manner.

Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the sensor fiber (20) • is a carbon fiber whose electric conductivity varies depending on an amount of elongation of the carbon fiber, or • is a glass fiber whose optical properties vary depending on an extent of elongation and/or a level of temperature of the glass fiber.

Battery cell according to one of the preceding claims, wherein • the sensor fiber (20) and/or a multiplicity of sensor fibers (20, 60) is guided once or several times along the electrode stack (10), and/or • respective ends (22, 24, 62, 64) of respective sensor fibers (20, 60) are arranged on one and the same side of the electrode stack (10) or on opposite sides of the electrode stack (10).

Battery cell according to one of the preceding claims, wherein • the battery cell has an internal and/or external sensor interface (40), which is coupled to the sensor fiber (20) in terms of information technology and/or which is represented by respective ends (22, 24) of the sensor fiber (20), the sensor interface (40 ) is set up to feed the measurement signal into the sensor fiber (20) and to lead out the measurement signal transmitted through the sensor fiber (20) from the sensor fiber (20), and/or • the sensor interface (40) is an optical and/or an electrical interface, and/or • the measurement signal is generated and/or processed inside and/or outside the battery cell.

Battery cell according to one of the preceding claims, wherein • the battery cell is a round cell, a prismatic cell or a pouch cell, and/or • the battery cell is set up to be used in a primary battery or in a secondary battery, and/or • the electrode stack (10) is wound up and/or folded within the housing (30).

having battery • a plurality of battery cells according to any one of the preceding claims, and • an evaluation unit (50), wherein • the respective sensor interfaces (40) of the battery cells are connected to the evaluation unit (50) in terms of information technology, and • the evaluation unit (50) is set up to receive the measurement signals of the respective battery cells and to determine states of the respective battery cells on the basis of the measurement signals.