DE112010003272T5

DE112010003272T5 - Batteriezelle mit integrierter Sensorplattform

Info

Publication number: DE112010003272T5
Application number: DE112010003272T
Authority: DE
Inventors: Emad Andarawis; Brian Allen Engle; Ertugrul Berkcan; Aaron Jay Knobloch; Canan Uslu Hardwicke
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2013-01-10
Also published as: CN102576915B; US20110039137A1; GB2484250A; US9054397B2; GB201202195D0; US20150255834A1; CN102576915A; GB2484250B; WO2011019458A1

Abstract

Eine Batteriezelle, die eine Sensorplattform mit Sensorelementen aufweist, die konfiguriert sind, um Informationen über In-situ-Eigenschaften und -Parameter der Batteriezelle zu liefern. Ausführungsformen der Batteriezelle können die Sensorplattform in die Struktur der Batteriezelle integriert, als eine gesonderte Struktur, die in der Batteriezelle enthalten ist, oder als Kombinationen von diesen aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Batteriezelle eine Sensorplattform auf, die Sensorelemente in der Nähe einer lokalisierten Messregion aufweist, wobei die Sensorplattform ein Substrat mit darauf aufgebrachten Materialschichten aufweist. Die Materialschichten weisen wenigstens eine Sensorschicht auf, die die Sensorelemente bildet, so dass die Sensorelemente auf Eigenschaften der Batteriezellen ansprechen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Batterietechnologie und insbesondere Batteriezellen, die Einrichtungen zur Erfassung von Eigenschaften und Parametern der Batteriezelle an Ort und Stelle (in situ) enthalten.
Batteriezellen werden in verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise denjenigen Anwendungen, verwendet, die für Fahrzeugantriebsstrangkonstruktionen, die auf elektrischer Antriebsleistung beruhen, z. B. Hybridantriebs- und Elektroantriebsfährzeuge, erforderlich sind. Derartige Anwendungen erfordern es im Allgemeinen, dass die Batteriezelle nicht nur Leistung in der Größenordnung von etwa 3 V bis 5 V ausgibt, jedoch auch günstige Leistungseigenschaften, wie beispielsweise lange Lebensdauer, höhere Robustheit und verbesserte Funktionssicherheit, beibehält. Diese Anforderungen werden gewöhnlich erfüllt, indem Reihen von Batteriezellen in Reihen- und/oder Parallelanordnungen miteinander verbunden werden, um größere, komplexere Batteriegruppen zu bilden. Die Auslegung von Batteriegruppen ist jedoch aufgrund des schwierigen Gleichgewichts, das zwischen der Maximierung des Wirkungsgrads und der Funktionssicherheit unter Beibehaltung der erforderlichen Ausgangsleistung und anderer Leistungseigenschaften der Batteriezelle, der Batteriegruppe und des gesamten Antriebssystems zu finden ist, schwierig. Andererseits ist es anerkannt, dass in dem Fall, dass die Eigenschaften und die Parameter der Batteriezelle (z. B. über Überwachung) besser erfasst würden, die Batteriezelle näher an ihrer maximalen Grenze arbeiten könnte. Eine derartige maximale Grenze könnte in der Tat größer sein als die vorstehend erwähnte erforderliche Größenordnung, aber tatsächlich größer als etwa 6 V.
Es ist festgestellt worden, dass es, um diese konstruktiven Anforderungen zu erfüllen, Vorteile gibt, wenn Batteriezellen größerer Größen bereitgestellt werden. Diese Vorteile umfassen eine Reduktion der Anzahl von Zellen, die benötigt werden, um die Zielausgangsleistung für eine Batteriegruppe zu erfüllen. Eine Reduktion der Anzahl von Zellen minimiert wiederum Schwankungen von Zelle zu Zelle in der Batteriegruppe (indem weniger Zellen benötigt werden) und reduziert die periphere Schaltungsanordnung und Elektronik, die erforderlich ist, um die Batteriegruppe zu betreiben. Das Endergebnis ist eine Reduktion der Komplexität, die zu geringeren Systemkosten und höherer Funktionssicherheit führt.
Obwohl die größeren Zellen bestimmte spezifische konstruktive Kriterien erfüllen können, schafft die Integration von Zellen größerer Größen zu Batteriegruppen jedoch verschiedene konstruktive und funktionelle Herausforderungen. Diese Herausforderungen umfassen die unkontrollierte Wärmeerzeugung, die in dem Fall eines Zellenfehlers auftreten kann. Die Herausforderungen enthalten ferner das Fehlen einer effizienten Batteriezellenkonstruktion, die die Leistungsabgabe maximiert, während sie auch akzeptable Betriebstemperaturen aufrechterhält.
Diese Gesichtspunkte sind besonders wichtig, weil die Leistungseigenschaften von Batteriezellen, z. B. prismatischen Batteriezellen, und die zugehörige Technologie gegen die Eigenschaften der physikalischen Prozesse, die im Inneren der Zellstruktur stattfinden, sehr empfindlich sind. Das heißt, Veränderungen eines oder mehrerer bestimmter Aspekte der Zelle können nicht nur für die Leistung der Zelle, sondern auch für die Leistung der Batteriegruppe, die zahlreiche Batteriezellen in einer einzelnen Packung umfasst, schädlich sein. Zum Beispiel ist die Zellentemperatur ein Indikator für die elektrolytische Reaktion, die innerhalb der Ionenaustauschmembran in der Batteriezelle stattfindet. Während Bedingungen mit hoher Belastung, wie beispielsweise während aggressiver Lade- und Entladevorgänge, kann die Batteriezelle zu große Hitze erzeugen. Diese Hitze kann die Batteriezelle beeinträchtigen und in einigen Fällen zum thermischen Durchgehen führen, einem Zustand, in dem eine irreversible Reaktion eintritt, die zu dem Ausfall der Polymer-Ion-Austauschmembran führt. Thermisches Durchgehen und zugehörige Bedingungen können auch einen katastrophalen Ausfall der einzelnen Zellen hervorrufen. Dieser Ausfall ist nicht nur für die Zelle, sondern auch für die Batteriegruppe, die zahlreiche Zellen in Reihen-/Parallelanordnung enthält, schädlich, weil der Ausfall einer einzelnen Zelle den Zustand eines offenen Stromkreises über einer Reihenanordnung von Batteriezellen sowie die Beeinträchtigung der Leistung der Batteriegruppe verursachen kann.
Bedauerlicherweise ist die Konstruktion von Batteriezellen gegen lokale Veränderungen der Geometrie sowie gegen lokalisierte Kräfte, die auf die Strukturen der Batteriezellen einwirken, empfindlich. Diese Empfindlichkeit ist derart, dass sie es verhindert, dass viele Sensorvorrichtungen (z. B. Thermoelemente, Thermistoren und Dehnungsmessstreifen) in und an den Batteriezellen verwendet werden können, weil diese Sensorvorrichtungen dreidimensionale Körper und eine Verdrahtung aufweisen, die eine örtliche Verformung der dünnen Zellwand bewirken können, die gewöhnlich verwendet wird, um die Batteriezellen aufzubauen. Außerdem gibt es gewöhnlich, weil die Batteriegruppen häufig in Bezug auf die Größe optimiert sind, sehr wenig Platz zwischen den Batteriezellen für irgendeine Art einer Sensorstruktur, ganz zu schweigen für diejenigen, die weitreichende dreidimensionale Eigenschaften aufweisen. Somit können, um irgendwelche Informationen über die Betriebseigenschaften der Batteriezellen zu erfassen, ohne deren Gesamtleistungsverhalten zu beeinträchtigen, diskrete dreidimensionale Sensoren nur an den Rändern der Batteriezellen angeordnet werden. Und aufgrund der Platzbeschränkungen auf der Konstruktionsstufe der Batteriegruppenbildung können die Sensoren nur in gestaffelten Abständen auf dem gesamten Außenumfang der Batteriegruppe positioniert werden. Zum Beispiel begrenzen die Beschränkungen die verfügbare Anzahl von Sensoren auf eins (1) für jeweils vier (4) bis acht (8) Batteriezellen in der Batteriegruppe.
Aufgrund der obigen Beschränkungen sind die Informationen, die von der derzeitigen Generation von Sensoren gewonnen werden, begrenzt, langsam und in einigen Fällen ungenau sowie irreführend. Zum Beispiel führt eine Positionierung von Temperatursensoren an den Außenrändern der Zellen zu einer ungenauen Messung der Zelltemperatur, weil die Temperatur an dem Rand der Zelle durch Umgebungsbedingungen beeinflusst ist, die rings um die Batteriegruppe vorliegen. Die Lage des Sensors kann dazu führen, dass Messwerte der Temperatur an dem Rand hinter der tatsächlichen Temperatur an den kritischen Abschnitten innerhalb der Batteriegruppe zurückbleiben. Derartige schwache Korrelation zwischen der gemessenen Temperatur und der tatsächlichen Temperatur kann die Batteriegruppe gefährden, weil sie keine getreue Widergabe der Betriebseigenschaften der Batteriezellen und somit allgemein eine fehlerhafte Repräsentation der Batteriegruppe darstellt. Deshalb besteht eine bessere Lösung darin, eine Karte der Temperatur der gesamten Batteriezelle innerhalb der Gruppenstruktur bereitzustellen, um so den Wärmewiderstand zwischen dem Sensor und dem Bereich innerhalb der Batteriestruktur zu minimieren.
Eine weitere Beschränkung ist die Art von Messungen, die unter Verwendung der derzeitigen Generation von Sensoren vorgenommen werden können. Wie oben erwähnt, beschränken die physikalischen Randbedingungen diese Sensoren auf Stellen an dem Umfang der Batteriegruppe. Somit können Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Druck, Ionenfluss und elektrochemische Prozesse, nicht gemessen werden, weil diese Bedingungen Zugang zu dem Innenraum der Zelle benötigen.
Folglich besteht ein Bedarf nach einer Batteriezelle mit verbesserten Betriebseigenschaften. Es ist ferner erwünscht, dass diese Batteriezelle Sensor-, Überwachungs- und Datenerfassungsvorrichtungen aufweist oder mit diesen kompatibel ist, um so das Verständnis der Betriebsparameter der Batteriezelle, der Batteriegruppe und des gesamten Antriebssystems zu ermöglichen und zu erweitern.
KÜRZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform weist eine Batteriezelle eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, die relativ zu der ersten Elektrode in einer Weise positioniert ist, die elektrochemische Aktivität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hervorbringt, eine aktive Region, die auf die elektrochemische Aktivität anspricht, wobei die aktive Region eine lokalisierte Messregion aufweist, die eine Zelleigenschaft aufweist, und eine Sensorplattform in der Nähe der lokalisierten Messregion auf, wobei die Sensorplattform ein Sensorelement zur Erfassung von Daten, die der Zelleigenschaft in der lokalisierten Messregion entsprechen, aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform (ist) eine Batteriezelle, die eine Zelleigenschaft aufweist, (geschaffen), wobei die Batteriezelle eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, die relativ zu der ersten Elektrode in einer Weise positioniert ist, die eine elektrochemische Aktivität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hervorbringt, eine Zellwand in umgebender Beziehung zu der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Zellwand eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, die ein Zellvolumen bildet, eine aktive Region, die auf die elektrochemische Aktivität anspricht, wobei die aktive Region eine lokalisierte Messregion aufweist, die die Zelleigenschaft aufweist, und eine Sensorplattform in der Nähe der lokalisierten Messregion aufweist, wobei die Sensorplattform ein Sensorelement aufweist, das im Inneren des Zellvolumens im Wesentlichen eingeschlossen ist, wobei das Sensorelement zur Erfassung von Daten dient, die der Zelleigenschaft in der lokalisierten Messregion entsprechen.
In einer noch weiteren Ausführungsform (ist) eine Batteriezelle zur Verwendung in einer Batteriegruppe (geschaffen), wobei die Batteriezelle eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, die relativ zu der ersten Elektrode in einer Weise positioniert ist, die eine elektrochemische Aktivität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hervorbringt, eine Zellwand in umgebender Beziehung zu der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Zellwand eine Außenfläche und eine Innenfläche, die ein Zellenvolumen bildet, aufweist, eine aktive Region, die auf die elektrochemische Aktivität anspricht, wobei die aktive Region eine lokalisierte Messregion aufweist, die die Zelleigenschaft aufweist, und eine Sensorplattform in der Nähe der lokalisierten Messregion aufweist, wobei die Sensorplattform ein Sensorelement aufweist, das an der Außenwand der Zellwand angeordnet ist, wobei das Sensorelement zur Erfassung von Daten, die der Zelleigenschaft in der lokalisierten Messregion entsprechen, dient.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Weise, in der die vorstehend angegebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung (beschaffen sind,) im Einzelnen verstanden werden kann, kann eine detailliertere Beschreibung der vorstehend kurz zusammengefassten Erfindung unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen angegeben werden, von denen einige in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulichen und folglich nicht für ihren Umfang beschränkend angesehen werden sollten, weil die Erfindung andere in gleicher Weise wirksame Ausführungsformen aufnehmen kann. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, so dass der Schwerpunkt allgemein auf die Veranschaulichung der Prinzipien bestimmter Ausführungsformen der Erfindung gelegt ist.
Somit kann für ein weiteres Verständnis der Art und Aufgaben der Erfindung Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung genommen werden, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
1 zeigt eine perspektivische, explodierte Draufsicht von oben auf die Baugruppe eines Beispiels einer Batteriezelle, die gemäß Konzepten der vorliegenden Erfindung geschaffen ist.
2 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der Batteriezelle, die in 1 veranschaulicht ist.
3 zeigt eine ebene Draufsicht auf ein Beispiel einer Sensorplattform zur Verwendung mit einer Batteriezelle, wie beispielsweise den Batteriezellen gemäß den 1–2.
4 zeigt eine vordere Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Batteriezelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen ist.
5 zeigt eine Seitenansicht der Batteriezelle nach 4, wobei die Batteriezelle eine Datenempfangsstruktur aufweist, die auf einer Außenfläche einer Zellwand der Batteriezelle angeordnet ist.
6 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der Batteriezelle nach 4, wobei die Batteriezelle eine Sensorplattform, wie beispielsweise die Sensorplattform nach 3, aufweist.
7 zeigt eine vordere Querschnittsansicht eines noch weiteren Beispiels einer Batteriezelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen ist.
8 zeigt eine Seitenansicht der Batteriezelle nach 7, wobei eine externe Vorrichtung veranschaulicht ist, die konfiguriert ist, um Daten von der Batteriezelle zu empfangen.
9 zeigt eine ausschnittsweise, seitliche Schnittansicht eines noch weiteren Beispiels einer Batteriezelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen ist, wobei die Batteriezelle eine Sensorplattform, wie beispielsweise die Sensorplattform nach 3, enthält.
10 zeigt eine ausschnittsweise, seitliche Schnittansicht eines noch weiteren Beispiels einer Batteriezelle, die gemäß Konzepten der vorliegenden Erfindung geschaffen ist, wobei die Batteriezelle eine Sensorplattform, wie beispielsweise die Sensorplattform nach 3, enthält.
11 zeigt eine perspektivische, explodierte Draufsicht auf eine Baugruppe eines Beispiels einer Batteriegruppe, die mehrere Batteriezellen, wie beispielsweise die Batteriezellen gemäß den 1, 2 und 4–11, aufweist.
12 zeigt eine vordere, explodierte Querschnittsansicht der Baugruppe eines weiteren Beispiels einer Batteriegruppe, die mehrere Batteriezellen, wie beispielsweise die Batteriezellen gemäß den 1, 2 und 4–11, aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es sind Ausführungsformen einer Batteriezelle geschaffen, die Sensorelemente aufweisen können, die verwendet werden, um In-situ-Eigenschaften und -Parameter, die das Leistungsverhalten der Batteriezelle kennzeichnen, zu messen. Anders als die Batterien, die in dem Hintergrundabschnitt vorstehend erläutert sind, sind die Ausführungsformen dieser Batteriezellen jedoch in einer Weise konstruiert, die die Genauigkeit und die Antwort der Sensorelemente verbessert, da diese Faktoren mit den beobachteten In-situ-Eigenschaften und -Parametern im Zusammenhang stehen. Das heißt, die Ausführungsformen können die Sensorelemente näher an den aktiven Regionen der Batteriezelle positionieren, um so Faktoren zu reduzieren und in einigen Fällen zu beseitigen, die das Leistungsverhalten der Sensorelemente sowie das gesamte Leistungsverhalten der Batteriezelle beeinflussen können. Weitere Details dieser und anderer Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den Beispielen der Batteriezellen nachstehend geliefert, von denen einige in Verbindung mit den 1–11 veranschaulicht und beschrieben sind. Bevor diese Beschreibung fortgesetzt wird, ist unmittelbar nachstehend eine allgemeine Beschreibung der Batteriezelle und der Sensorelemente, die darin verwendet werden, gegeben.
Indem allgemein auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, ist es ersichtlich, dass Batteriezellen der hierin offenbarten und beschriebenen Art gewöhnlich eine Zellwand aufweisen, die ein Innenraumvolumen bildet, das die Wirkungskomponenten (z. B. die Elektroden) der Batteriezelle umgibt. Die Zellwand kann eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweisen, die sich in der Nähe der Wirkkomponenten befindet. Die Batteriezelle kann ferner eine Sensorplattform aufweisen, wobei ein oder mehrere der Sensorelemente angeordnet, montiert oder in sonstiger Weise an der Sensorplattform befestigt sein können.
Die Batteriezelle kann ferner eine aktive Region aufweisen, die auf die elektrochemischen Prozesse anspricht, die Batteriezellen der hierin vorgesehenen Art kennzeichnen. Diese Regionen reagieren auf den Betrieb der Batteriezelle. Diese Reaktionen können durch Veränderungen realisiert werden, die einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, physikalische Änderungen, elektrische Änderungen, mechanische Änderungen, chemische Änderungen und elektrochemische Änderungen enthalten können. In einem Beispiel kann die aktive Region eine Elektrolytlösung aufweisen, die in der Zellwand angeordnet ist. In einem weiteren Beispiel kann die aktive Region Abschnitte der Zellwand aufweisen. Die aktive Region kann in gleicher Weise unterschiedlich inmitten der Struktur der Zellwand positioniert sein. In einem Beispiel kann die aktive Region innerhalb der Batteriezelle vollständig enthalten sein, wie beispielsweise dann, wenn die Zellwand in umgebender Beziehung zu der aktiven Region steht. In einem weiteren Beispiel kann die aktive Region (ganz oder zum Teil) auf einer der Oberflächen der Zellwand angeordnet sein.
Die aktive Region kann eine oder mehrere lokalisierte Messregionen aufweisen, wie sie in dem Beispiel einer Batteriezelle 100 gemäß den 1 und 2 veranschaulicht sind. Die lokalisierte Messregion ist in einer Ausführungsform als die Region definiert, wo die Eigenschaften der Batteriezelle unter Verwendung eines oder mehrerer der Sensorelemente gemessen werden können. In einem Beispiel können die lokalisierten Messregionen in Abschnitten der Batteriezelle vorgefunden werden, die für dreidimensionale oder sonstige diskrete Sensorvorrichtungen allgemein nicht zugänglich sind. Diese Abschnitte können Bereiche zwischen benachbarten Batteriezellen (z. B. wenn die Batteriezellen in einer Batteriegruppe zusammengebaut sind) sowie Bereiche im Inneren der Batteriezelle (z. B. Bereiche, die von der Zellwand im Wesentlichen umschlossen sind) enthalten. In einem anderen Beispiel kann die lokalisierte Messregion in Bereichen vorzufinden sein, die Daten liefern, die genauer, zuverlässiger und/oder schneller ansprechend sind, als sie normalerweise unter Verwendung herkömmlicher Messmethoden akquiriert werden würden.
In einer Ausführungsform der Batteriezelle können sich die lokalisierten Messregionen in der Nähe eines Elementes (z. B. der Elektroden, der Zellwand) in der Batteriezelle in Kontakt mit einem Element (z. B. den Elektroden, der Zellwand, dem Elektrolyt) in der Batteriezelle, an der Grenzstelle zwischen mehreren Elementen in der Batteriezelle (z. B. der Grenzstelle zwischen den Elektroden, der Grenzstelle zwischen den Elektroden und der Zellwand, der Grenzstelle zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt, der Grenzstelle zwischen der Zellwand und dem Elektrolyt) und im Inneren der Batteriezelle (z. B. ganz oder teilweise innerhalb der Zellwand eingeschlossen, im Inneren des Zellvolumens, sich in das Zellvolumen hinein erstreckend) befinden. In einem Beispiel können die lokalisierten Messregionen auf der Innenseite der Batteriezelle, beispielsweise innerhalb des Volumens oder Raums, der durch alle oder einen Teil der Zellwand definiert ist, vorgefunden werden. In einem anderen Beispiel können die lokalisierten Messregionen an Positionen vorgefunden werden, die im Abstand von den Außenrändern der Zellwand weg, beispielsweise zu den inneren Abschnitten der Batteriezelle, den inneren Abschnitten des Zellvolumens hin und von den Außenrändern der Zellwand weg angeordnet sind. In einem noch weiteren Beispiel können die lokalisierten Messregionen in der Nähe der Elektroden vorgefunden werden. In einem noch weiteren Beispiel können die lokalisierten Messregionen in der Nähe anderer Komponenten der Batteriezelle, wie beispielsweise der porösen Membran, die die Elektroden trennt, vorgefunden werden.
Die Sensorelemente bezeichnen allgemein jede Einrichtung oder Komponente, die auf einen physikalischen Reiz anspricht und die einen messbaren Impuls oder ein messbares Signal infolge dieses Reizes ausgibt. Zum Beispiel können die Sensorelemente, die in Batteriezellen der hierin vorgesehenen Art vorgefunden werden, dazu verwendet werden, Eigenschaften der Batteriezelle zu messen. Der Ausdruck „Eigenschaft” soll physikalische Eigenschaften und mechanische Eigenschaften sowie andere funktionelle Eigenschaften umfassen, die mit Batteriezellen und ihrer zugehörigen Technologie im Einklang stehen. Um nicht beschränkende Beispiele anzugeben, können derartige Eigenschaften die Temperatur, den Druck, die Belastung, Dehnung, elektrische Eigenschaften (z. B. Strom, Spannung, Widerstand, spezifischen Widerstand), elektrochemische Eigenschaften (z. B. Ionenkonzentration, Transporteigenschaften, elektrochemische Prozesseigenschaften) und beliebige Kombinationen und Permutationen von diesen enthalten. Beispiele für weitere Eigenschaften, die durch die Sensorelemente gemessen werden können, können ferner einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Variablen oder andere variablenabhängige Parameter und Eigenschaften, wie beispielsweise diejenigen Variablen, die zeitabhängig, mit dem Raum korreliert und/oder raumabhängig, zeitlich gemittelt und/oder abhängig und zellspeicherbasiert und/oder -abhängig sind, enthalten.
Die Sensorelemente können in Form eines Leiters, z. B. eines elektrischen oder thermischen Leiters, vorliegen. Derartige Leiter können eine weite Vielfalt elektrischer Drähte, die Strom führen, enthalten, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, aus Kupfer, Aluminium, Platin, Rhodium, Nickel, Gold, Titan, Indium und Legierungen, die Anteile dieser Metalle aufweisen. Die Drähte können den Strom zwischen Einrichtungen des Sensorelementes, der Batteriezelle und jeder angebrachten Komponente, z. B. einer Energiequelle, einer elektrischen Erfassungskomponente, eines Signalprozessors und dergleichen, führen. Das Sensorelement kann ferner eine beliebige Art einer Verbindungsstelle oder Verbindung zwischen einem Ende eines Drahtes und irgendeinem anderen Abschnitt der Vorrichtung oder der angebrachten Ausstattung bezeichnen. Beispielhafte Sensorelemente zur Messung der Temperatur können ferner eines/eine(n) oder mehrere von Widerstandstemperaturfühl(„RTD”)-Elementen, Thermistoren, Thermoelementen, Halbleitervorrichtungen, einschließlich Elemente und Vorrichtungen, die PN-Übergänge und ähnliche diskrete Halbleiterkomponenten aufweisen, und ionische Komponenten sowie andere enthalten. Beispielhafte Sensorelemente zur Messung der Belastung können unter vielen anderen eine/einen oder mehrere von Folienvorrichtungen, Halbleitern, mikroelektromechanischen Systemen („MEMS”) und MEMS-basierten Vorrichtungen, optischen Vorrichtungen und elektromagnetischen Vorrichtungen enthalten.
Die Sensorelemente können auch in Form vielfältiger elektrisch nicht leitender Materialien vorliegen. Beispiele für nicht leitende Materialien können keramische und/oder polymere Materialien, wie beispielsweise thermoplastische Materialien, duroplastische Materialien und elastomere Materialien (z. B. Gummizusammensetzungen) enthalten. Diese Materialien können selbst auf den physikalischen Reiz ansprechen, indem sie sich z. B. unter Belastung und/oder Temperaturbedingungen in Länge und Breite ausdehnen. Diese Materialien können ferner ansprechen, wenn sie in Verbindung mit einem der vorstehend erwähnten Leiter verwendet werden.
Die Sensorelemente können in die Sensorplattform integriert werden, die aus Schichten von Materialien aufgebaut sein kann, die auf ein Substrat aufgebracht werden. In einer Ausführungsform kann das Substrat ein Dünnfilm, wie beispielsweise ein Polyimidfilm, sein, auf dem die Materialschichten aufgetragen werden, um die Sensorelemente zu bilden. Der Dünnfilm kann auf eine Oberfläche der Batteriezelle z. B. unter Verwendung eines Klebstoffs, Schweiß- und Laminierprozesses angebunden sein. In einer anderen Ausführungsform kann das Substrat eine Oberfläche der Batteriezelle sein, wie beispielsweise durch Schmieden des gesonderten Substrats (z. B. des Dünnfilms) anstatt des Auftrags wenigstens einer der Materialschichten unmittelbar auf die Oberfläche der Zellwand. Es können vielfältige Prozesse verwendet werden, um die Materialschichten aufzubringen, um so die Sensorplattform (und die Sensorelemente) zu schaffen, wozu Siebdruck, Sputtern, thermisches Spritzen, Laminieren, Elektronenstrahlauftrag, Elektroplattieren und physikalische Aufdampfung sowie viele andere gehören. Einige Beispiele für die Struktur und die Zusammensetzung der Materialschichten zur Verwendung im Zusammenhang mit Ausführungsformen der Batteriezelle sind nachstehend in Verbindung mit den 4 und 5 erläutert. Allgemein können die Sensorelemente in Form einer Reihe von Sensorelementen, eines einzelnen Sensorelementes, eines verteilten Sensorelementes sowie in räumlich orientierten Geometrien vorliegen, die räumlich differenzierte, räumlich korrelierte und räumlich gemittelte Geometrien aufweisen können, jedoch nicht auf diese beschränkt sind.
Die Sensorplattform kann auf der Innenfläche sowie auf der Außenfläche der Zellwand positioniert sein. In einem Beispiel kann sich die Sensorplattform auf der Außenfläche der Zellwand befinden, so dass die Sensorelemente von dem Innenraum der Batteriezelle durch die Zellwand getrennt sind. In einem anderen Beispiel kann die Sensorplattform vollständig innerhalb der Batteriezelle eingeschlossen sein, indem beispielsweise die Materialschichten aufgebracht werden oder der Dünnfilm mit den Materialschichten unmittelbar auf die Oberflächen im Inneren der Batteriezelle gesichert wird.
Die Lage der Sensorplattform entweder auf der inneren oder der äußeren Fläche kann eine verbesserte Rückmeldung in Bezug auf die Betriebsbedingungen im Inneren der Batteriezelle ergeben. Außerdem ermöglicht die Lage der Sensorelemente an diesen Oberflächen, wenn die Batteriezellen zu einer Batteriegruppe zusammengepackt werden, eine Erfassung von Daten in Regionen zwischen einzelnen benachbarten Batteriezellen. Diese Regionen sind aufgrund von Beschränkungen, die vorgefunden werden, wenn herkömmliche Techniken und Ausrüstungen verwendet werden, im Allgemeinen nicht zugänglich. Dies ist vorteilhaft, weil die Daten, die erfasst werden, genutzt werden können, um zuverlässige Modelle der Batteriezelle zu verbessern, um Fehlermechanismen zu verstehen und um die gesamte Konstruktion der Batteriezellen, der Batteriegruppen und deren verschiedene Implementierungen und Anwendungen, z. B. Hybrid- und Elektrofahrzeuge, zu verbessern.
In einer Implementierung können die Sensorelemente Daten über das Verhalten der Batteriezelle als ein Teil eines Regelsystems mit Rückführung liefern. Zum Beispiel können die Sensorelemente mit einer Kommunikationsvorrichtung gekoppelt sein, die Daten und Informationen zu einer anderen Datenverarbeitungsvorrichtung übertragen kann. Die andere Datenverarbeitungsvorrichtung kann außerhalb der Zellwand positioniert sein. Beispiele für derartige Kommunikationsvorrichtungen können eine drahtlose HF-Vorrichtung (z. B. Nahfeldvorrichtungen, induktive und/oder kapazitive Vorrichtungen und Fernfeldvorrichtungen), eine Tethering-Vorrichtung, Tethering-Vorrichtungen, die elektrische Komponenten aufweisen, einen Parallel-Seriell-Konverter, einen Multiplexer, einen Demultiplexer, eine optische Verbindungsvorrichtung, optische Vorrichtungen, die Elemente aufweisen, die Daten mittels Licht (und/oder anderer optischer Eigenschaften) übertragen, eine Stromleiterträgervorrichtung, eine akustische Vorrichtung und akustische Vorrichtungen, die Elemente aufweisen, die Daten mittels Wellen (z. B. Schallwellen) übertragen, aufweisen. In anderen Beispielen kann die Batteriezelle selbst mit Vorrichtungen zur Speicherung, Übertragung, zum Empfang und zur Verarbeitung der Daten ausgestattet sein. Diese Vorrichtungen können einen Speicher (z. B. nicht flüchtigen, flüchtigen) sowie mechanische, elektrische oder chemische Vorrichtungen aufweisen, die Daten verarbeiten und bei der Verarbeitung von Daten helfen können.
Das Regelsystem mit Rückführung kann elektrische Schaltungen aufweisen, die in einer Weise aufgebaut sein können, die vielfältige elektrische Elemente, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Widerstände, Kapazitäten, Transistoren und Schalter, miteinander verbindet. Die Schaltungen können ferner mit anderen Schaltungen (und/oder Vorrichtungen) kommunizieren, die Logikfunktionen auf hoher Ebene, Algorithmen sowie Prozess-Firmware und Softwareinstruktionen ausführen. Beispielhafte Schaltungen dieser Art umfassen im Feld programmierbare Logikgatteranordnungen („FPGAs”) und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen („ASICs”), sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Gemeinsam können diese Schaltungen und Komponenten allgemein die Kontrollstruktur vorsehen, die implementiert sein kann, um Zuverlässigkeitsmodelle der Batteriezelle zu verbessern, Fehlermechanismen zu verstehen und die Gesamtkonstruktion der Batteriezellen sowie deren verschiedene Implementierungen und Anwendungen, z. B. in Hybrid- und Elektroantriebsfahrzeugen, zu verbessern.
Angesichts der vorstehenden allgemeinen Beschreibung, und um ein nicht beschränkendes Beispiel anzugeben, ist in den 1 und 2 eine Ausführungsform einer Batteriezelle 100 veranschaulicht, die gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung geschaffen ist. Auf einer hohen Ebene kann die Batteriezelle 100 eine Anode 102 und eine Kathode 104 aufweisen, die beide jeweils einen Anodenanschluss 106 bzw. einen Kathodenanschluss 108 aufweisen können. Eine Membran 110, die allgemein aus porösen Materialien aufgebaut ist, ist zwischen der Anode 102 und der Kathode 104 angeordnet.
Die Batteriezelle 100 kann ferner eine aktive Region 112 mit einem Außenrand 114 und einer inneren Region 116 aufweisen, die im Abstand zu dem Außenrand 114 in Richtung auf das Innere der aktiven Region 112 angeordnet ist. Die aktive Region 112 kann eine lokalisierte Messregion 118 aufweisen, die als die Region definiert sein kann, in der die Sensorelemente Daten erfassen, die die In-situ-Eigenschaften und -Parameter der Batteriezelle 100 kennzeichnen. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die aktive Region 112 (und die lokalisierte Messregion 118) in der Nähe der Anode 102 veranschaulicht ist, es zu verstehen ist, dass diese Darstellung einfach nur Beispielszwecken dient und nicht dazu gedacht ist, den Umfang und Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu beschränken. Das heißt, die aktive Region 112 repräsentiert den Abschnitt der Batteriezelle, der auf die elektrochemische Aktivität anspricht, die als Teil des Betriebs der Batteriezelle 100 stattfindet. Somit kann die Batteriezelle 100 auch aktive Regionen, wie die aktive Region 112, haben, die auch andere Bereiche der Batteriezelle aufweisen können, die auf die elektrochemische Aktivität ansprechen. Sie sind derart anzusehen, dass sie Abschnitte der Batteriezelle 100 aufweisen, die auf irgendeine Weise auf die elektrochemischen Reaktionen reagieren werden oder können.
Die Batteriezelle 100 kann ferner eine äußere Struktur 120 aufweisen, die eine Zellwand 122 mit einer Außenfläche 124, die der Umgebung ausgesetzt ist, und einer Innenfläche 126, die ein inneres Volumen 128 bildet, aufweist. Die Zellwand 122 kann eine verschlossene Öffnung 130 aufweisen, von aus der der Anodenanschluss 106 und der Kathodenanschluss 108 herausragen. Eine Aktivierungslösung 132, wie beispielsweise eine Elektrolytlösung, ist in dem inneren Volumen 128 angeordnet. Die Zellwand 122 ist gewöhnlich derart gebildet, dass die Elektroden, die Membran 110 und die Aktivierungslösung 132 in dem inneren Volumen 128 eingekapselt sind. Diese Ausbildung kann sowohl mehrstückige Strukturen (wie veranschaulicht) als auch einstückig aufgebaute Strukturen umfassen, die beide in einer Weise ausgebildet sind, die die jeweiligen Wirkkomponenten der Batteriezelle 100 einkapselt.
Der Aufbau der Batteriezelle 100 und insbesondere der Elektroden, der Membran 110 und der äußeren Struktur 120 wird durch Fachleute mit gewöhnlichen Fachkenntnissen auf dem Gebiet der Batterien leicht erkannt. Die Batteriezelle 100 kann insbesondere derart konstruiert sein, dass die Elektroden z. B. konfiguriert sind, um einen Ionenfluss über die Membran 110 zu erzeugen und folglich einen elektrischen Strom zu erzeugen. Der Strom kann z. B. durch Anschluss einer Last, wie beispielsweise eines Widerstands oder einer anderen Vorrichtung, zwischen dem Anodenanschluss 106 und dem Kathodenanschluss 108 verwirklicht werden. In einem Beispiel kann die Batteriezelle 100 eine Lithium-Ionen(„Li-Ionen”)-Batterie sein, worin die Zellwand 122 gewöhnlich im Ganzen oder zum Teil aus Metallen, wie beispielsweise Aluminium, oder Materialien mit Materialeigenschaften, die den Anforderungen der verschiedenen Arten und Anwendungen der Batteriezelle 100 entsprechen, hergestellt ist.
Wie in dem Beispiel nach 1 veranschaulicht, kann die Batteriezelle 100 wenigstens eine Sensorplattform 134 mit einem hinausführenden Anschluss 136 aufweisen, der aus der verschlossenen Öffnung 130 herausragt. Die Sensorplattform 134 kann ferner ein oder mehrere Sensorelemente 138 aufweisen, die in einer Ausführungsform (auf der Sensorplattform 134) konfiguriert sein können, um Daten von der Messregion 118 zu erfassen. Während mehrere Sensorelemente 138 veranschaulicht sind, ist es jedoch vorgesehen, dass die Sensorplattform 134 ein einziges Sensorelement 138 aufweisen kann. Wie vorstehend erläutert, können die Sensorelemente 138 auf eine oder mehrere der Eigenschaften und Parameter der Batteriezelle 100, wie beispielsweise Temperatur, Belastung, Strom, Spannung und deren Kombinationen, ansprechen.
Die Sensorplattform 134 kann eine gesonderte Struktur, wie beispielsweise die in dem Beispiel nach 1 veranschaulichte Struktur, sein, die an die Zellwand 122 und in manchen Ausführungsformen an eine oder mehrere von der Außenfläche 124 und der Innenfläche 126 gebunden sein kann. Die Sensorplattform 134 kann ferner, beispielsweise durch Auftragen von Materialschichten auf eine oder mehrere von der Außenfläche 124 und der Innenfläche 126 der Zellwand 122, an der Zellwand 122 integriert sein. In einer Ausführungsform der Batteriezelle 100 ist die Sensorplattform 134 an die Zellwand 122 physikalisch und/oder mechanisch gebunden, um so die Sensorelemente in der Messregion 118 zu positionieren. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn die Sensorplattform ein Substrat, wie beispielsweise ein Dünnfilmsubstrat und ein organisches Dünnfilmsubstrat, aufweist. Geeignete Verbindungen können unter Verwendung vielfältiger Techniken und Prozesse gebildet werden, von denen einige unmittelbar nachstehend bereitgestellt werden.
In einem Beispiel wird ein Klebstoff auf die Zellwand 122 beispielsweise unter Verwendung eines Abstreifmessers aufgetragen, um eine richtige Dicke zu erreichen, die sich zur Sicherung des Substrats der Sensorplattform 134 an der Zellwand 122 eignet. Klebstoffe und klebende Materialien, die allgemein ausgewählt werden können, sind für eine Zersetzung durch dielektrische oder elektrolytische Lösungen, wie beispielsweise die Elektrolytlösung, die im Inneren der Batteriezelle vorgefunden werden kann, nicht anfällig. Beispielhafte Klebstoffe umfassen unter vielen anderen silbergefüllte Epoxien sowie andere exotherm härtende Klebstoffe, wärmehärtende Klebstoffe sowie unter Ultraviolettstrahlung härtende Klebstoffe.
In einem weiteren Beispiel können Schweißprozesse, wie beispielsweise Laserschweißen und Ultraschallschweißen, verwendet werden, um eine oder mehrere der mechanischen Verbindungen zwischen der Zellwand 122 und dem Substrat der Sensorplattform 134 zu schaffen. Diese Verbindungen können Schweißungen enthalten, die den Außenumfang des Substrats an der Zellwand 122 sichern. Diese Verbindungen können ferner Stellen- oder Punktschweißungen enthalten, die einzelne Punkte des Substrats und/oder der ensorelemente 138 mit der Zellwand 122 koppeln können. Punktschweißungen können insbesondere nützlich sein, um eine mechanische Verformung der Zellwand 122 in der Messregion 118 zu vermeiden, und insbesondere dann, wenn die Sensorelemente 138 zur Erfassung von Temperatur verwendet werden. Punktschweißungen können ferner nützlich sein, um die Sensorelemente 138 mit der Zellwand 122 zu koppeln, wenn die Sensorelemente 138 verwendet werden, um eine Belastung zu messen, die z. B. an der Zellwand 122 hervorgerufen wird.
In einem noch weiteren Beispiel kann ein Laminieren verwendet werden, um Materialien auf die Zellwand 122 aufzubringen, die das Substrat an der Zellwand 122 sichern können. Diese Materialien können in Form einer Laminierstruktur, z. B. einer Beschichtung, eines Films oder sonstiger dünner Materialschichten vorliegen. Ein Beispiel für einen Prozess zur Schaffung der Laminierstruktur umfasst thermisches Polymerschweißen, das verwendet werden kann, um die Außenabschnitte der Zellwand 122 zu verschließen und einzuschließen, um so das innere Volumen 128 der Batteriezelle 100 zu bilden.
In anderen Ausführungsformen der Batteriezelle 100 kann die Sensorplattform 134 durch Auftragen eines Materials, wie beispielsweise durch Abscheiden von Materialschichten unmittelbar auf die Zellwand 122 aufgebaut werden. Diese Methoden können insbesondere dann nützlich sein, wenn das Substrat der Sensorplattform 138 eine oder mehrere von der Außenfläche 124 und der Innenfläche 126 der Zellwand 122 aufweist. Es können vielfältige Prozesse verwendet werden, um diese Materialschichten abzuscheiden und die Sensorplattform gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung aufzubauen.
In einem Beispiel weisen die Prozesse Direktauftragstechniken, wie beispielsweise thermisches Spritzen, Pastenauftragung und Laserauftragung, auf. Eine Beschreibung der Prozesse, wie beispielsweise der hier beschriebenen Prozesse, kann unter Bezugnahme auf die US-Patentschrift Nr. 7,004,622 von Hardwicke et al., US-Patentschrift Nr. 7,351,290 von Rutkowski et al. und Direct-Write Technologies for Rapid Prototyping Applications, Pique, A. und Chrisey D. B., Acad Press, 2002, entnommen werden. Diese Prozesse können einen Plasmaprozess, wie beispielsweise Plasmasprühprozesse, enthalten, die einen generischen thermischen Gleichstrom(„DC”)-Plasmabrenner verwenden, der einen stabilen elektrischen Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer ringförmigen wassergekühlten Kupferanode erzeugt. Ein Plasmagas (häufig Argon oder ein anderes Inertgas) wird an der Rückseite des Sprühpistoleninnenraums eingeleitet. Das Gas wirbelt in einem Wirbel herum und tritt anschließend aus der Vorderseite der Anodendüse aus. Der elektrische Lichtbogen von der Kathode zu der Anode schließt den Stromkreis unter Ausbildung einer austretenden Plasmaflamme. Fachleute auf dem Gebiet sind mit Varianten des allgemeinen Plasmasprühprozesses vertraut und mit Techniken zur Anpassung dieses Prozesses sowie anderen Direktauftragstechniken für vielfältige Auftragsmaterialien vertraut.
Indem nun auf 3 der Zeichnungen Bezug genommen wird, ist ein Beispiel einer Sensorplattform 300 veranschaulicht, die gemäß Konzepten der vorliegenden Erfindung geschaffen ist. Die Sensorplattform 300 kann ein Substrat 302 aufweisen, das einen Sensorabschnitt 304 und herausgeführte Anschlüsse 306 aufweist. Die Sensorplattform 300 kann ferner mehrere Sensorelemente 308 und Zwischenverbindungsdrähte 310 aufweisen, die einzelne (oder Gruppen) der Sensorelemente 308 mit den herausgeführten Anschlüssen 306 koppeln, um so die Erfassung von Daten unter Verwendung der Sensorplattform 300 zu ermöglichen.
Erneut gilt, dass, während die Sensorplattform 300 auch ein einziges Sensorelement 308 aufweisen kann, in dem vorliegenden Beispiel der Sensorplattform 300 nach 3 die Sensorplattform 300 auch eine Sensoranordnung 312 aufweisen kann, die die in dem Sensorabschnitt 304 angeordneten Sensorelemente 308 aufweist. Die Sensoranordnung 312 kann eine Anzahl von Reihen 314 und eine Anzahl von Spalten 316 aufweisen. Die Anzahl von Reihen 314 und Spalten 316 kann variieren, wobei diese jedoch in einer Konstruktion entsprechend der Anzahl von Messpunkten, von denen Daten erfasst werden sollen, bestimmt sein kann. Es ist z. B. in 3 veranschaulicht, dass die Sensoranordnung 312 drei (3) Reihen und vier (4) Spalten aufweist und folglich zwölf (12) Sensorelemente 308 vorhanden sind. Diese Anordnung entspricht zwölf (12) Messstellen, die in dem Sensorabschnitt 304 der Sensorplattform 300 zur Verfügung stehen. Obwohl die Anzahl der Sensorelemente 308 in einem Aspekt durch die Auflösung der Verarbeitungs- und Herstellungstechniken beschränkt ist, kann es erwünscht sein, dass die Sensoranordnung 312 wenigstens etwa neun (9) Messpunkte hat, und in einem spezielleren Beispiel kann die Anzahl von Messpunkten etwa zwölf (12) bis etwa einundachtzig (81) (z. B. eine Gruppe von 9 × 9 Sensorelementen 138 (1)) sein.
In einer Ausführungsform kann die Sensorplattform 300 ferner eine Datenübertragungsstruktur 318 aufweisen, die eine oder mehrere von einer drahtlosen Übertragungsstruktur 320 und einer Signalkonditioniervorrichtung 322 enthalten kann, die beide mit einem oder mehreren der Sensorelemente 308 gekoppelt sein können. Diese Verbindung kann unter Verwendung von Drähten, wie beispielsweise der Zwischenverbindungsdrähte 310, bewerkstelligt werden. Die Datenübertragungsstruktur 318 kann verwendet werden, um die von den Sensorelementen 308 erfassten Daten zu der Außenseite der Batteriezelle, z. B. der Batteriezelle 100 (1 und 2), zu übertragen. Dies ist von Vorteil, weil die Datenübertragungsstruktur 318 den Aufbau der Sensorplattform 300 vereinfachen kann, z. B. indem sie wenigstens einen Abschnitt der herausgeführten Anschlüsse 306 eliminiert, um stattdessen Daten drahtlos zu übertragen, z. B. durch die Zellwand der Batteriezelle hindurch.
In Verbindung mit der vorangegangenen Erörterung kann die Sensorplattform 300 mehrschichtige Strukturen sowie weitere Variationen aufweisen, die die Materialien aufweisen, die hier offenbart und beschrieben sind. Materialien, die verwendet werden, um die Sensorplattform 300 aufzubauen, können in Verbindung mit oder zusätzlich zu anderen Materialien verwendet werden, wobei das letztere Material tatsächlich auf den physikalischen Reiz anspricht. In einem Beispiel kann ein Metallleiter auf einer oder mehreren Keramikschichten aufgebracht sein, die wiederum auf der Oberfläche des Substrats 302 aufgetragen sind.
Das Substrat 302 kann in vielen Ausführungsformen der Batteriezelle ein dünnes organisches Substrat mit physikalischen Eigenschaften sein, die dünnen flexiblen blättrigen Materialien entsprechen. Das geeignete Material zur Verwendung als das Substrat kann von dem bestimmten Gebrauch und der bestimmten Umgebung der Sensorelemente, die daran angeordnet sind, abhängen. Polyimidmaterialien, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, KAPTON-Polyimid und UPILEX-Polyimid, ergeben ein stabiles, dennoch flexibles Material, das sich zur Materialabscheidung und insbesondere zur Aufnahme von Auftragsmaterialien der Arten, die für die Sensorelemente verwendet werden, wie vorstehend beschrieben, eignet. Diese Materialien können auf das Substrat unter Verwendung vielfältiger vorstehend beschriebener Techniken aufgetragen werden, zu denen einschließlich, jedoch nicht ausschließlich Aufsprühen, Laminieren und Sputtern sowie andere gehören. In einem Beispiel kann die Sensorplattform 300 eine (nicht veranschaulichte) Aluminiumbeschichtung aufweisen, die aufgebracht wird, um ihre Festigkeit zu vergrößern sowie um die Haftung zwischen der Sensorplattform 300 und der Zellwand der Batteriezelle zu verbessern. Weil derartige Prozesse unter Fachleuten mit gewöhnlichem Fachwissen auf dem Gebiet allgemein anerkannt sind, sind Details dieser Prozesse nicht erforderlich und werden somit hier nicht geliefert, sofern sie nicht benötigt werden, um ein oder mehrere Konzepte der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
Die Signalkonditioniervorrichtung 320 kann konfiguriert sein, um die Sensordaten zu empfangen und eine Kommunikation, z. B. digitale Kommunikation, mit einer externen Vorrichtung anstelle serieller Drahtverbindungen zu schaffen. Beispiele für Vorrichtungen zur Verwendung als die Signalkonditioniervorrichtung 320 können einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Multiplexer, ASICs und andere Prozessorvorrichtungen umfassen, die als ein Vermittler zwischen den Sensorelementen 308 und jeder beliebigen externen Vorrichtung dienen können. Beispiele für Vorrichtungen, die die Datenübertragungsstruktur 318 implementieren können, können drahtlose Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Hochfrequenz-Identifikations(„RFID”)-Vorrichtung enthalten. Es ist ferner vorgesehen, dass die Datenübertragungsstruktur 318 Komponenten (und/oder elektrische Schaltkreise) aufweisen kann, die verwendet werden können, um die Sensorplattform 300 und/oder die Sensorelemente 308 mit komplementären Vorrichtungen außerhalb der Batteriezelle zu koppeln, um so die Daten zur Außenseite der Batteriezelle zu übertragen. Details eines Beispiels für eine derartige Kopplung können anhand der Sensorplattform 400 entnommen werden, die in den 4–6 veranschaulicht und nachstehend in größeren Einzelheiten erläutert ist.
Das heißt, und indem nun auf die 4–6 Bezug genommen wird, ist ein weiteres Beispiel einer Batteriezelle 400 ersichtlich, die konfiguriert ist, um Daten über eine Kopplung und insbesondere über eine induktive Kopplung durch die Zellwand der Batteriezelle hindurch zu übertragen. In diesem Beispiel kann die Batteriezelle 400 eine Zellwand 402 mit einer Außenfläche 404 und einer Innenfläche 406 aufweisen, die ein inneres Volumen 408 bildet, das dem inneren Volumen 128 nach 1 oben ähnlich ist. Die Batteriezelle 400 kann ferner eine Sensorplattform 410 aufweisen, die in dem inneren Volumen 408 angeordnet und an der Innenfläche 406 unter Verwendung eines oder mehrerer der Prozesse und einer oder mehreren der Techniken, wie sie vorstehend beschrieben sind, gebunden oder in sonstiger Weise gesichert ist.
Die Sensorplattform 410 kann ein Substrat 412 aufweisen, das einen Sensorabschnitt 412 und mehrere Sensorelemente 416 aufweist. Die Sensorelemente 416 können in einer Sensoranordnung 418 angeordnet sein, die Reihen 420 und Spalten 422 aufweist. Die Sensorplattform 410 kann ferner mehrere Datenübertragungsstrukturen 424 aufweisen, und in diesem Beispiel kann jede der Datenübertragungsstruktur 424 eine erste Induktionsspule 426 aufweisen, die mit den Sensorelementen 416 gekoppelt ist.
Die Batteriezelle 400 kann ferner eine Datenempfangsstruktur 428, die mehrere zweite Induktionsspulen 430 haben kann, und eine Verbindungsleitungsstruktur 432, beispielsweise leitfähige (z. B. metallische) Drähte, die mit den zweiten Induktionsspulen 430 gekoppelt sind, aufweisen. Diese Drähte können Signale von den zweiten Induktionsspulen 430 zu einem anderen Abschnitt der Datenempfangsstruktur 428 leiten. Dieser Abschnitt kann ein zentral angeordneter Verbindungsanschluss oder eine zentral angeordnete Verbindungsstruktur sein, die in einer Ausführungsform mit einer externen Vorrichtung gekoppelt ist, die konfiguriert ist, um von den Sensorelementen 416 erfasste Daten zu verarbeiten.
In einer Ausführungsform ist die Datenempfangsstruktur 428 an der Außenfläche 404 der Zellwand 402 in gegenüberliegender Anordnung zu der Sensorplattform 410 angeordnet. Dies kann mit Klebstoffen, laminierten Filmen, durch Schweißen, sowie durch eine oder mehrere der vorstehend beschriebenen Direktauftragstechniken vorgenommen werden. Diese Position kann die zweiten Induktionsspulen 430 und die ersten Induktionsspulen 426 zueinander ausrichten, um so eine Kommunikationsübertragung der Signale über die Zellwand 402, z. B. durch induktive Kopplungseffekte, zu ermöglichen.
Als ein weiteres Beispiel ist es aus den 7 und 8 ersichtlich, dass eine Batteriezelle 700 ferner konfiguriert ist, um Daten über eine Kopplung mit einer externen Vorrichtung 702 zu übertragen. Um ein nicht beschränkendes Beispiel anzugeben, kann die Batteriezelle 700 eine Zellwand 704 mit einer Außenfläche 706 und einer Innenfläche 708 aufweisen, die ein inneres Volumen 710 bildet, das dem obigen inneren Volumen 128 nach 1 ähnlich ist. Die Batteriezelle 700 kann ferner eine Sensorplattform 712 aufweisen, die indem inneren Volumen 710 angeordnet und an der Innenfläche 708 unter Verwendung eines oder mehrerer der Prozesse und einer oder mehreren der Techniken, wie vorstehend erläutert, gebunden oder in sonstiger Weise gesichert sind. Die Sensorplattform 712 kann ein Substrat 714 aufweisen, das einen Sensorabschnitt 716 und mehrere Sensorelemente 718 aufweist. Die Sensorelemente 718 können in einer Sensoranordnung 712 angeordnet sein, die Reihen 722 und Spalten 724 aufweist.
Die Sensorplattform 712 kann ferner eine Zentralknotenvorrichtung 726, wie beispielsweise einen Parallel-Seriell-Konverter, einen Multiplexer und einen Prozessor, wie beispielsweise einen ASIC, aufweisen. Die Sensorplattform 712 kann ferner Verbindungsdrähte 728 aufweisen, die die Sensorelemente 718 mit der Zentralknotenvorrichtung 726 koppeln. Die Zentralknotenvorrichtung 726 kann konfiguriert sein, um die Signale von den Sensorelementen 718 zu verarbeiten, so dass diese Signale der externen Vorrichtung 702 zugeführt werden können. In einer Ausführungsform kann die Zentralknotenvorrichtung 726 eine Induktionsspule, z. B. eine Induktionsspule 430 (6), und/oder eine andere Struktur aufweisen, die verwendet werden kann, um ein Signal zu der externen Vorrichtung 702 zu liefern. Es wird bemerkt, dass, anstatt einzelner Sensorelemente 718 mit der Außenseite der Batteriezelle zu koppeln, die Daten von den Sensorelementen 718 zu der Zentralknotenvorrichtung 726 geleitet werden. Die Zentralknotenvorrichtung 726 kann mit der externen Vorrichtung 702 gekoppelt sein, die außerhalb der Batteriezelle angeordnet ist. Diese Einrichtung kann den Aufbau der Batteriezelle 700 vereinfachen, indem sie die Notwendigkeit entsprechender Induktionsspulen an der Außenseite der Zellwand beseitigt. In einer Ausführungsform kann die externe Vorrichtung 702 eine Antenne oder andere Einrichtung aufweisen, die auf die Zentralknotenvorrichtung 726 anspricht.
Indem als nächstes auf 9 Bezug genommen wird, ist eine detaillierte Teilansicht eines weiteren Beispiels für eine Batteriezelle 900 veranschaulicht. Der Klarheit wegen sind einige der Teile der Batteriezelle entfernt worden, wobei der Schwerpunkt auf die spezielle Konfiguration der Struktur der darin veranschaulichten Batteriezelle gelegt wird. In diesem Beispiel weist die Batteriezelle 900 eine Zellwand 902 mit einer Oberfläche 904 auf, auf der eine Bindungsstruktur 906 vorgesehen ist. Die Batteriezelle 900 weist ferner eine Sensorplattform 908 auf, die auf der Bindungsstruktur 906 angeordnet ist. Die Sensorplattform 908 kann mehrere Materialschichten 910 aufweisen, die eine Substratschicht 912, eine Sensorschicht 914, eine Verbindungsschicht 916 und eine Passivierungsschicht 918 enthalten.
Die Oberfläche 904 kann die Außenfläche der Batteriezelle (wie beispielsweise die Außenfläche 124 der Zellwand 122 nach 1) sein. Die Oberfläche 904 kann auch die Innenfläche der Batteriezelle (beispielsweise die Innenfläche 126 der Zellwand 122 nach 1) sein. Wie oben erläutert, kann die Bindungsstruktur 906 unter Verwendung der verschiedenen Prozesse und Techniken zur Anbindung der Sensorplattform an die Zellwand der Batteriezelle gebildet sein. Beispiele für Bindungsstrukturen zur Verwendung als die Bindungsstruktur 906 umfassen Klebstoffe (und klebende Schichten), Schweißungen und Schweißkonstruktionen sowie laminierte und sonstige polymere Schichten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Die Substratschicht 912 kann ein KAPTON- und/oder LCP-Schicht sein, auf der andere einzelne Materialschichten, z. B. die Materialschichten 910, abgeschieden sind. Die Auswahl des Substratmaterials kann von vielfältigen Faktoren, wie beispielsweise der Gefahr des Eindringens des Elektrolyts von der Batteriezelle in das Sensorelement und insbesondere in die Sensorschicht 914, abhängen. Die Substratschicht 912 kann eine Dicke von weniger als etwa 0,025 mm haben, wobei eine Konstruktion der Substratschicht 912 eine Dicke von etwa 0,0125 mm bis etwa 0,25 mm aufweist.
Ein Material zur Verwendung als die Sensorschicht 914 kann auf die Substratschicht 912 durch Sputter-, Elektroplattier- oder Aufdampfverfahren abgeschieden werden. Dieses Material kann auf der Basis der Art der Sensorelemente ausgewählt werden, die zur Verwendung auf der Sensorplattform 908 ausgewählt werden. In beispielhaften Sensorplattformen, die sich zur Verwendung als die Sensorplattform 908 eignen, kann die Sensorschicht 914 eine Dicke von weniger als etwa 1 mm, von etwa 0 mm bis etwa 0,5 mm, haben, und in einer Konstruktion der Sensorplattform 908 weist die Sensorschicht 914 eine Dicke auf, die kleiner ist als etwa 0,05 mm. In einem Beispiel kann eine Kupfer-Nickel(Cu/Ni)-Legierung verwendet werden, um die Sensorelemente zur Verwendung als Messstreifen zu bilden. In einem anderen Beispiel kann Platin für die Sensorelemente zur Verwendung Temperatursensoren verwendet werden. Die Materialien können ferner auf der Basis der Materialeigenschaften, der gewünschten Empfindlichkeit des Sensorelementes sowie der Verarbeitungsverträglichkeit des gewünschten Materials, das für die Sensorschicht 914 ausgewählt wird, ausgewählt werden.
Die Verbindungsschicht 916 kann auf die Sensorschicht 914 abgeschieden werden. Die Zwischenverbindungen können die Sensorelemente mit dem Bus, dem herausgeführten Abschnitt (z. B. dem herausgeführten Abschnitt 306) und der Datenübertragungsvorrichtung (z. B. der Datenübertragungsvorrichtung 312) sowie anderen Teilen der Sensorplattform 908 koppeln. Diese Schicht kann allgemein aus einem leitfähigen Material, beispielsweise einer Kupfer(Cu)-Legierung ausgebildet sein, das für Zwischenverbindungen (und Verbindungsleitungen) verwendet wird. In einem Beispiel wird Kupfer als das Material der Verbindungsschicht 916 zusätzlich zu einer (nicht veranschaulichten) Haftschicht aus Titan verwendet. Die Verbindungsschicht 916 in beispielhaften Sensorplattformen, die sich zur Verwendung als die Sensorplattform 908 eignen, kann eine Dicke von weniger als etwa 0,008 mm, von etwa 0,004 mm bis etwa 0,008 mm, haben, und in einer Konstruktion der Sensorplattform 908 weist die Verbindungsschicht 916 eine Dicke auf, die wenigstens etwa 0,005 mm beträgt.
Die Passivierungsschicht 918 wird aufgebracht, um die Zwischenverbindungen gegen die Umgebung, z. B. die Elektrolytlösung innerhalb der Batteriezelle 900, zu schützen und/oder zu isolieren. Es kann eine Öffnung, z. B. eine Öffnung 920, in der Passivierungsschicht 910 ausgebildet sein, um Verbindungen zu Abschnitten der darunter liegenden Schichten, wie beispielsweise der Verbindungsschicht 916 und/oder der Sensorschicht 914, zu ermöglichen. Ein beispielhaftes Material zur Verwendung in der Passivierungsschicht 918 ist Parylen, von dem bekannt ist, dass es eine hervorragende Beständigkeit gegen Feuchtigkeit aufweist, während es in der Lage ist, auf vielfältigen Materialien zu haften. Andere Materialien, die für die Passivierungsschicht 910 verwendet werden können, umfassen unter anderen Teflon und metallische Beschichtungen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In beispielhaften Sensorplattformen, die sich zur Verwendung als die Sensorplattform 908 eignen, kann die Passivierungsschicht 918 eine Dicke von weniger als etwa 1 mm, von etwa 0 mm bis etwa 0,5 mm, haben, und in einer Konstruktion der Sensorplattform 908 weist die Passivierungsschicht 918 eine Dicke auf, die wenigstens etwa 0,05 mm beträgt.
Eine weitere detaillierte Teilansicht eines Beispiels für eine Batteriezelle 1000 ist in 10 veranschaulicht. Hier sind wie in dem Beispiel der Batteriezelle 900 nach 9 bestimmte Aspekte der Batteriezelle 1000 der Klarheit wegen, und um bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung hervorzuheben, nicht veranschaulicht. Zum Beispiel kann in diesem Beispiel die Batteriezelle 1000 eine Zellwand 1002 mit einer Oberfläche 1004 aufweisen, auf der eine Sensorplattform 1006 aufgebracht ist. Die Sensorplattform 1006 kann mehrere Materialschichten 1008 aufweisen, wobei die Konstruktion der Materialschichten 1008 unmittelbar auf der Oberfläche 1004 der Zellwand 1002 erzeugt ist. Diese Oberfläche 1004 kann jede beliebige einzelne von der Innenfläche und der Außenfläche der Zellwand, beispielsweise die Außenfläche 124 und die Innenfläche 126 der Zellwand 122 in der obigen 1, sein.
Die Konstruktion der Sensorplattform 1006 und insbesondere der Materialschichten 1008 kann in einem Beispiel unter Verwendung einer oder mehrerer der Direktauftragstechniken, wie beispielsweise der Plasmasprüh- und/oder Pastenabscheidungstechnik, wie sie vorstehend erläutert und in Bezug genommen sind, realisiert werden. Diese Techniken ermöglichen der Sensorplattform 1006 und ihren Komponenten (z. B. den (nicht veranschaulichten) Sensorelementen), als ein Teil der Struktur der Ausführungsformen der Batteriezelle, z. B. der Batteriezelle 1000, aufgenommen zu werden. Derartige Techniken sind gewöhnlich effizienter und kostengünstiger, weil sie häufig keine solchen Schritte, wie Maskieren, chemisches Ätzen oder eine andere Oberflächenbehandlung der Hauptflächen der Basismaterialien erfordern, die bei anderen Abscheidungs-, Sputter- und Spinnprozessen erforderlich sind.
Es ist in 10 zu ersehen, dass die Materialschichten 1008 eine Haftschicht 1010, eine elektrische Isolierschicht 1012, eine Sensorschicht 1014 und eine Überzugsschicht 1016 aufweisen können. Die exakte Anzahl und Anordnung der Materialschichten 1008 kann natürlich von vielen Faktoren abhängen, so dass die Darstellung in dem vorliegenden Beispiel den Umfang und Rahmen der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken soll. Das heißt, die Entwicklung und Konstruktion der Sensorplattform 1006 in der Batteriezelle 1000 kann, wenn Direktauftragstechniken verwendet werden, mehr oder weniger Schichten, z. B. Materialschichten 1008, verwenden, um Sensorelemente (und die Sensorgruppe) zur Messung und Erfassung von Daten der In-situ-Eigenschaften und -Parameter der Batteriezelle zu schaffen.
Die Haftschicht 1010 kann zur Verwendung mit dem Material der Zellwand 1002 und/oder der Oberfläche 1004, auf der die Haftschicht 1010 abgeschieden wird, ausgewählt sein. Die Haftschicht 1010 kann ein leitfähiges Material (z. B. metallisch) sein, das bezüglich seiner speziellen Eigenschaften ausgewählt wird, die es ihm ermöglichen, an der darunter liegenden Zellwand 1002 zu haften, sowie weiteren benachbarten Schichten ermöglichen, darauf abgeschieden zu werden. In einem Beispiel kann die Haftschicht 1010 die gleiche wie die Oberfläche 1004 sein. In beispielhaften Sensorplattformen, die sich zur Verwendung als die Sensorplattform 1006 eignen, kann die Haftschicht 1010 eine Dicke von weniger als etwa 1 mm, von etwa 0 mm bis etwa 0,5 mm, haben, und in einer Konstruktion der Sensorplattform 1000 weist die Haftschicht 1010 eine Dicke von wenigstens etwa 0,05 mm auf.
Diese benachbarten Schichten können die Isolierschicht 1012, die ein polymeres oder keramisches dielektrisches Material sein kann, und die Sensorschicht 1014 aufweisen, die aus aufgetragenen Cu/Ni-Legierungen, Titan und beliebigen Temperatur erfassenden Materialien, einschließlich Thermistoren und Thermoelementen (z. B. der Typen K, N, R und B) hergestellt ist. Die Isolierschicht 1012 kann Materialien mit isolierenden Eigenschaften, beispielsweise Eigenschaften, die ausgewählt sind, um die Sensorschicht 1014 gegen die Haftschicht 1010 und in einem geringeren Maße von der Zellwand 1002 zu isolieren, aufweisen. In einem Beispiel kann die Isolierschicht 1012 die gleiche wie die Oberfläche 1004 sein. In beispielhaften Sensorplattformen, die sich zur Verwendung als die Sensorplattform 1006 eignen, kann die Isolierschicht 1012 eine Dicke von weniger als etwa 1 mm, von etwa 0 mm bis etwa 0,5 mm haben, und in einer Konstruktion der Sensorplattform 1006 weist die Isolierschicht 1012 eine Dicke von wenigstens etwa 0,05 mm auf.
Die Überzugsschicht 1016 wird über der Sensorschicht 1014 abgeschieden, um so die Sensorschicht 1014 vor der Umgebung zu schützen. Diese Schicht kann ebenfalls ein Material aufweisen, das hinsichtlich seiner Schutzeigenschaften, z. B. Feuchtigkeitsaufnahme, Korrosionsschutz und andere, ausgewählt ist. In beispielhaften Sensorplattformen, die sich zur Verwendung als die Sensorplattform 1006 eignen, kann die Überzugsschicht 1016 eine Dicke von weniger als etwa 2 mm, von etwa 0 mm bis etwa 1 mm, haben, und in einer Konstruktion der Sensor plattform 1006 weist die Überzugsschicht 1016 eine Dicke auf, die wenigstens etwa 0,05 mm beträgt. Die Dicke kann auch durch die Betriebsbedingungen der Zelle und andere konstruktiven Aspekte, z. B. Dimensionen der Batteriezelle 1000, bestimmt sein.
Bei der Erläuterung der Implementierung der Sensorplattform allgemein und der Batteriezellen im Speziellen sind in den 11 und 12 Beispiele einer Batteriegruppe 1100, 1200 (der „Batteriepacks”) veranschaulicht. Die Batteriegruppen weisen mehrere Batteriezellen auf, die gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung konstruiert sind. In 11 ist z. B. ein Beispiel für eine Batteriegruppe 1100 vorgesehen, die ein Batteriegruppengehäuse 1102, mehrere Batteriezellen 1104, die jeweils eine Zellenwand 1106 mit einer Außenfläche 1108 aufweisen, aufweist. Die Batteriezellen 1104 weisen ferner eine Sensorplattform 1110 auf, die auf der Außenfläche 1108 der Batteriezellen 1104 angeordnet sein kann.
Die Sensorplattformen 1110 können einzelne Strukturen sein, wie Sie unter Verwendung flexibler Substrate, wie KAPTON, gefunden werden. Diese Substrate können an der Außenfläche 1108 der Zellenwand 1106 unter Verwendung eines beliebigen einzelnen der Prozesse gesichert sein, die vorstehend erläutert oder in dem Umfang und Rahmen der vorliegenden Offenbarung vorgesehen sind. Die Sensorplattformen 1110 können auch auf der Außenfläche 706 der Zellenwand 704 integriert sein, wie sie bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen Direktauftragstechnik gefunden würden.
In 12 ist ein weiteres Beispiel für eine Batteriegruppe 1200 vorgesehen, die ein Batteriegruppengehäuse 1202 und mehrere Batteriezellen 1204 aufweist. Es ist zu sehen, dass die Batteriezellen 1204 eine Zellenwand 1206 aufweisen können, die eine Innenfläche 1208 aufweist. Die Batteriezellen weisen ferner eine Sensorplattform 1210 auf, die auf der Innenfläche 1208 der Zellenwand 1206 angeordnet ist. In einem Beispiel können eine oder mehrere der Sensorplattformen 1210 eine gesonderte Struktur bilden, die an der Innenfläche 1208 gesichert ist. In einem anderen Beispiel können die Sensorplattformen 1210 auf der Innenfläche 1208 unter Verwendung einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Direktauftragstechniken integriert sein.
Es ist vorgesehen, dass numerische Werte, sowie andere Werte, die hierin angegeben sind, durch den Ausdruck „etwa” modifiziert werden, unabhängig davon, ob dies ausdrücklich angegeben oder inhärent aus der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung abgeleitet wird. Wie hierin verwendet, definiert der Ausdruck „etwa” die numerischen Grenzen der modifizierten Werte, so dass diese Toleranzen und Werte bis zu sowie einschließlich des so modifizierten numerischen Wertes enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. D. h., die numerischen Werte können den tatsächlichen Wert, der ausdrücklich angegeben ist, sowie weitere Werte enthalten, die die Dezimalzahl, ein Bruchteil oder ein sonstiges Vielfaches des tatsächlichen Wertes, der angegeben und/oder in der Offenbarung beschrieben ist, sind oder sein können.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung zu schaffen und zu verwenden. Der. patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7004622 [0050]
US 7351290 [0050]

Claims

Batteriezelle, die aufweist: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode, die relativ zu der ersten Elektrode in einer Weise angeordnet ist, um eine elektrochemische Aktivität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hervorzubringen; eine aktive Region, die auf die elektrochemische Aktivität anspricht, wobei die aktive Region eine lokalisierte Messregion aufweist, die eine Zelleigenschaft aufweist; und eine Sensorplattform in der Nähe der lokalisierten Messregion, wobei die Sensorplattform ein Sensorelement zur Erfassung von Daten aufweist, die der Zelleigenschaft in der lokalisierten Messregion entsprechen.
Batteriezelle nach Anspruch 1, die ferner mehrere lokalisierte Messregionen aufweist, wobei die Sensorplattform ein oder mehrere der Sensorelemente für jede der lokalisierten Messregionen aufweist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die lokalisierte Messregion sich in der Nähe einer oder mehrerer von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode befindet.
Batteriezelle nach Anspruch 1, die ferner eine Zellwand in umgebender Beziehung zu der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufweist, wobei die Zellwand eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, die ein Zellenvolumen bildet, wobei die lokalisierte Messregion innerhalb des Zellenvolumens eingeschlossen ist.
Batteriezelle, die eine Zelleigenschaft aufweist, wobei die Batteriezelle aufweist: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode, die relativ zu der ersten Elektrode in einer Weise positioniert ist, um eine elektrochemische Aktivität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hervorzubringen; eine Zellwand in umgebender Beziehung zu der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Zellwand eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, die ein Zellenvolumen bildet; eine aktive Region, die auf die elektrochemische Aktivität anspricht, wobei die aktive Region eine lokalisierte Messregion aufweist, die die Zelleigenschaft aufweist; und eine Sensorplattform in der Nähe der lokalisierten Messregion, wobei die Sensorplattform ein Sensorelement aufweist, das im Wesentlichen innerhalb des Zellenvolumens eingeschlossen ist, wobei das Sensorelement zur Erfassung von Daten, die der Zelleigenschaft in der lokalisierten Messregion entsprechen, dient.
Batteriezelle nach Anspruch 5, wobei die Sensorplattform mehrere Sensorelemente aufweist.
Batteriezelle nach Anspruch 5, wobei die Sensorplattform mehrere Sensorelemente aufweist und wobei jedes der Sensorelemente im Abstand zu jedem anderen angeordnet ist, um so eine Sensoranordnung zu bilden, die die aktive Region im Wesentlichen abdeckt.
Batteriezelle nach Anspruch 5, wobei die Sensorplattform mehrere Materialschichten aufweist und wobei die Materialschichten eine Sensorschicht aufweisen, die auf die Zelleigenschaft anspricht.
Batteriezelle nach Anspruch 8, wobei die Zelleigenschaft eine/einen oder mehrere von Temperatur, Druck, Belastung, pH-Wert, Leitfähigkeit, elektrische Impedanz und Eigenschaften, die mit der elektrochemischen Aktivität in Beziehung stehen, aufweist.
Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die Sensorplattform einen Polymerfilm aufweist, wobei die mehreren Schichten auf dem Polymerfilm angeordnet sind und wobei der Polymerfilm an die Innenfläche gebunden ist.
Batteriezelle nach Anspruch 9, wobei die Materialschichten eine erste Schicht aufweisen, die auf der Innenfläche angeordnet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 5, die ferner eine Datenübertragungsvorrichtung aufweist, die mit dem Sensorelement gekoppelt ist, wobei die Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten von den Sensorelementen zu der Außenseite der Zellwand dient.
Batteriezelle nach Anspruch 12, wobei die Datenübertragungsstruktur eine drahtlose Vorrichtung zur Übertragung von Daten zu der Außenseite der Zellwand aufweist.
Batteriezelle zur Verwendung in einer Batteriegruppe, wobei die Batteriezelle aufweist: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode, die relativ zu der ersten Elektrode in einer Weise positioniert ist, um eine elektrochemische Aktivität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hervorzubringen; eine Zellwand in umgebender Beziehung zu der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die Zellwand eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, die ein Zellenvolumen bildet; eine aktive Region, die auf die elektrochemische Aktivität anspricht, wobei die aktive Region eine lokalisierte Messregion aufweist, die die Zelleigenschaft aufweist; und eine Sensorplattform in der Nähe der lokalisierten Messregion, wobei die Sensorplattform ein Sensorelement aufweist, das auf der Außenfläche der Zellwand angeordnet ist, wobei das Sensorelement zur Erfassung von Daten, die der Zelleigenschaft in der lokalisierten Messregion entsprechen, dient.
Batteriezelle nach Anspruch 15, wobei das Sensorelement eine Sensorschicht aufweist, das auf die Zelleigenschaft anspricht, und wobei die Zelleigenschaft eine/einen oder mehrere von Temperatur, Druck, Belastung, pH-Wert, Leitfähigkeit, elektrische Impedanz und Eigenschaften, die mit den elektrochemischen Prozessen in Beziehung stehen, aufweist.
Batteriezelle nach Anspruch 15, wobei die Sensorplattform mehrere Materialschichten aufweist und wobei die mehreren Materialschichten einen Polymerfilm, der an die Außenfläche gebunden ist, und eine leitfähige Schicht zur Verbindung der Sensorelemente aufweisen.
Batteriezelle nach Anspruch 15, wobei die Materialschichten eine erste Materialschicht aufweisen, die auf der Außenfläche angeordnet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei die Sensorplattform mehrere Sensorelemente aufweist und wobei die Sensorelemente im Abstand zueinander angeordnet sind, um so eine Sensorgruppe zu bilden, die die Messregion im Wesentlichen abdeckt.
Batteriezelle nach Anspruch 14, die ferner eine Datenübertragungsstrukturvorrichtung aufweist, die mit dem Sensorelement gekoppelt ist, wobei die Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Daten von dem Sensorelement zu der Außenseite der Zellwand dient.
Batteriezelle nach Anspruch 14, wobei die lokalisierte Messregion die Zellwand aufweist.