EP4677677A1 - Batteriesystem und dessen verwendung - Google Patents

Batteriesystem und dessen verwendung

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EP4677677A1
EP4677677A1 EP24710707.1A EP24710707A EP4677677A1 EP 4677677 A1 EP4677677 A1 EP 4677677A1 EP 24710707 A EP24710707 A EP 24710707A EP 4677677 A1 EP4677677 A1 EP 4677677A1
Authority
EP
European Patent Office
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compressible body
battery cell
battery
compressible
battery system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24710707.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Böse
Johannes Ziegler
Detlev Uhl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4677677A1 publication Critical patent/EP4677677A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a battery system with a battery cell and a reversibly compressible body with a deformation sensor, as well as the use of the compressible body in a battery system.
  • Battery systems especially rechargeable batteries, require powerful sensors that record various electrical and mechanical properties for safe, efficient and long-lasting operation.
  • the sensor data recorded accordingly is evaluated by a battery management system in order to optimally control the operation of the battery system.
  • a battery or battery system usually consists of a large number of individual battery cells that electrochemically store the electrically supplied energy and make it available again as electrical energy when required. Ideally, each cell is monitored individually, but this requires a lot of effort, so the sensors have to be inexpensive.
  • the cells of a battery system such as a lithium-ion battery should be pre-stressed with a certain mechanical pressure during operation. If the battery cell is clamped in a solid housing, the pressure increases significantly as the battery cell expands. This can damage the battery cell or even destroy it. A pressure sensor in the battery system can track the pressure increase, but cannot prevent it. A mechanism that at least keeps the pressure increase during operation of the battery system within the permissible limits is therefore better.
  • WO21130471 A1 describes a mechanism for swelling compensation in battery cells.
  • a foam material absorbs the expansion and is compressed in the process.
  • a sensor function is not disclosed in the patent.
  • the object of the present invention is to provide battery systems with both a monitoring function and a protection function This task is solved by the battery system described below.
  • the object is achieved by a battery system according to claim 1, as well as by the use of a compressible body according to claim 19.
  • the present invention provides a battery system with a compressible body with a sensor function that can measure the expansion and contraction of a battery cell with high sensitivity, wherein the battery cell is subjected to a predetermined mechanical prestress by the compressible body and the compressible body is thereby precompressed.
  • the compressible body is further compressed, which can, for example, increase the electrical capacity of a sensor or reduce the electrical resistance. It can be provided that the mechanical stress on the battery only increases slightly compared to the prestress, so that the battery is only subjected to a small additional load.
  • the battery system has at least one battery cell and at least one reversibly compressible body with at least one deformation sensor.
  • the compressible body can therefore be used to detect a deformation at at least one point on the compressible body.
  • the compressible body acts as a deformation sensor.
  • a first preferred variant provides that the compressible body corresponds to the deformation sensor(s).
  • the compressible body is in direct or indirect mechanical contact with a surface of the battery cell.
  • the compressible body is made of an elastomer.
  • the compressible body can therefore consist at least partially of an elastomer.
  • the compressible body also has at least one cavity.
  • the cavity can, for example, be a volume completely or at least partially enclosed by the compressible body, which can be filled with air or another gas or a porous foam.
  • the compressible body can also have a porous structure, which is formed, for example, by several of the cavities.
  • the compressible body is clamped together with the battery cell in a holding device of the battery system to generate a preload.
  • the battery cell and the compressible body are clamped in such a way that the clamped compressible body is compressed compared to an unloaded state and exerts an adjustable pressure on the battery cell.
  • the clamped body is more compressible by an expansion of the battery cell. This means that the compressed compressible body clamped together with the battery cell can be compressed more strongly by an expansion of the battery cell. Furthermore, the clamped compressible body is less compressible by a contraction of the battery cell. If the expansion of the battery cell decreases again or if the battery cell contracts, the compressible body can follow this contraction of the battery cell.
  • a battery cell is considered to be a battery cell at the time of installation in the battery system, i.e. a battery cell that has not yet experienced any age-related volume change and can expand or contract starting from this size. However, the battery cell may also be a battery cell that has experienced an age-related change in volume before or after installation and can expand or contract as a result.
  • the battery system therefore has a reversibly compressible body that can be used simultaneously as an expansion sensor and as a preload spring for the battery cell or battery.
  • clamped means that the compressible body exerts or transmits a force on the battery cell in at least one direction.
  • the clamped compressible body is therefore the compressible body on which pressure is exerted and which is thereby deformed.
  • the unloaded compressible body describes the compressible body in a force-free state in which no external forces act on the compressible body that could lead to a deformation of the compressible body.
  • the compressible body can preferably be installed in the holding device together with the battery cell in such a way that the compressible body is compressed at the time of installation.
  • a direction in which a force acts at a point on the compressible body when clamping the compressible body with the battery cell in the battery system is referred to below as the clamping direction.
  • the clamping directions at different points on the compressible body or the battery cell can be aligned parallel to one another in some embodiments. In round or curved sections of the battery cell or, for example, cylindrical arrangements, the clamping directions at different points on the compressible body or the battery cell can, for example, not be aligned parallel to one another and can, for example, be aligned in a radial direction.
  • the compressible body is formed with an elastomer, which means that the compressible body contains an elastomer or consists largely of an elastomer.
  • the volume fraction of an elastomer in the compressible body can therefore be at least greater than 0%.
  • the compressible body contains at least one cavity.
  • the elastomer makes the compression reversible when the compression pressure decreases.
  • the cavity causes the body to be highly compressible.
  • the cavity can be created by a periodic surface structure between different layers of the compressible body. Another way of creating the cavity is to form porosity in the compressible body.
  • the porosity can be open or closed.
  • the compressible body is in direct or indirect contact with the surface of the battery cell, i.e. it touches the surface of the battery cell or there is another body in between which touches the battery cell and the compressible body.
  • the subject of the invention is therefore a battery system that can use the deformation sensor of the compressible body to detect the geometric expansion and contraction of a battery or battery cell during operation and protect the battery from damage and destruction. Preferably, not only the pressure but also the geometric deformation is measured.
  • the compressible body with deformation sensor also serves as a preload spring for the battery in order to keep the pressure acting on it in a desired pressure range and thus protect the battery from damage and destruction.
  • the compressible body has a cavity structure that creates a high level of compressibility in the relevant pressure range.
  • the compressible body is clamped together with the battery cell in a holding device in such a way that it is pre-compressed compared to its unloaded state and thus exerts pressure on the battery cell.
  • the compressible body thus acts as a pre-tensioning spring for the battery cell.
  • the battery cell and the compressible body have a flat structure.
  • the battery cell and compressible body are arranged parallel to one another.
  • the clamping direction i.e. the direction in which the force generated by the clamping acts, is perpendicular to the surface on which the force acts.
  • the clamping direction can therefore advantageously be aligned perpendicular to the contact surface.
  • the battery cell can be cuboid-shaped, for example, and the compressible body can be in direct or indirect mechanical contact with a section of a side surface of the cuboid-shaped battery cell.
  • cylindrical battery cells or battery cells with round sections are also possible, for example, so that the compressible body can also be in direct or indirect contact with a curved side of the battery cell, for example.
  • the compressible body is in direct or indirect contact with the surface of one side of the battery cell.
  • the advantage of a compressible body that is in direct or indirect contact with the surface of one side the battery cell is in direct or indirect contact is the uniform pressure exerted by the preload spring on the battery cell, which is beneficial for the service life of the battery cell.
  • the surface irregularities that are present in battery cells due to manufacturing and can generate high local loads in the cell when tensioned are compensated for or the load is evenly distributed. Such local tensions have a negative effect on the service life and can be prevented with the battery system described.
  • the compressible body is reversibly compressible by at least 0.05 mm, preferably by at least 0.1 mm, particularly preferably by at least 0.2 mm.
  • the compressible body is reversibly compressible by at least 0.05 mm, preferably by at least 0.1 mm, particularly preferably by at least 0.2 mm, starting from the unloaded state, preferably immediately after installation.
  • Reversibly compressible means that the compressible body can essentially return to the shape of the unloaded state after compression. It is particularly advantageous if the compressible body is reversibly compressible in the clamping direction by the amounts mentioned above.
  • the expansion of known rechargeable battery cells during operation is more than 0.05 mm.
  • the compressible body should be able to be compressed by at least 0.05 mm, preferably by at least 0.1 mm, particularly preferably by at least 0.2 mm, even when clamped.
  • a further preferred embodiment provides that the compressible body has a rigidity in the unloaded state such that a pressure of less than 500 kPa, preferably less than 100 kPa, particularly preferably less than 25 kPa, must be applied to compress it by 0.1 mm.
  • the compressible body is therefore advantageously sufficiently easily compressible so that the battery is not exposed to too high a pressure, which could lead to damage.
  • the clamped compressible body can have a rigidity at which a pressure of maximum 500 kPa, preferably maximum 100 kPa, particularly preferably maximum 25 kPa, has to be applied to compress it by 0.1 mm.
  • the compressible body in the clamped state, exerts a pressure of more than 5 kPa, preferably more than 10 kPa, particularly preferably more than 20 kPa on the battery cell and/or exerts less than 10,000 kPa, preferably less than 5,000 kPa, particularly preferably less than 1,000 kPa.
  • the compressible body immediately after the compressible body and the battery cell have been installed in the holding device of the battery system, the compressible body exerts a pressure of more than 5 kPa, preferably more than 10 kPa, particularly preferably more than 20 kPa.
  • the compressible body exerts a pressure of less than 10,000 kPa, preferably less than 5,000 kPa, particularly preferably less than 1,000 kPa.
  • the compressible body is designed such that a pressure exerted by the compressible body on a contact surface of the battery cell is uniform. Uniform in this context means that the pressures exerted at different points on the contact surface differ from one another by less than 50%, preferably less than 20%, particularly preferably less than 10%.
  • an advantageous embodiment provides that in the unloaded state the volume of the at least one cavity is at least 10%, preferably at least 20%, particularly preferably at least 30% of the total volume of the compressible body in the unloaded state.
  • the total volume of the compressible body in the unloaded state can be understood as the volume enclosed by the outer surfaces of the compressible body.
  • the volume of the at least one cavity refers to the total volume of all cavities if the compressible body has several cavities that are not connected to one another.
  • the volume fraction of the cavity or cavities in the unloaded state should be at least 10%, preferably at least 20%, particularly preferably at least 30% of the volume of the compressible body.
  • the at least one cavity is delimited by at least one first wall section with a one- or two-dimensional periodic surface structure.
  • One or more sections of the walls that enclose the cavity therefore have a one- or two-dimensional surface structure.
  • the surface structure can be periodic, i.e. can repeat itself periodically in space.
  • the wall section that has the surface structure can enclose an angle of greater than 0° with the clamping direction or can even be aligned perpendicular to the clamping direction.
  • the first wall section is designed in such a way that a surface normal at a point on the first wall section is parallel to a clamping direction at this point, or advantageously deviates from the clamping direction by less than 45°, preferably less than 30°, particularly preferably less than 10°.
  • the at least one cavity is delimited by a second wall section which is opposite the first wall section and is designed such that the first wall section and the second wall section can interlock when the compressible body is compressed.
  • a protruding section of one wall section can be inserted into a recess in the other wall section when the compressible body is compressed.
  • the second wall section can, for example, be designed to be at least partially or completely complementary to the first wall section.
  • the compressible body has an elastomer film.
  • the elastomer film can be arranged between the first wall section and the second wall section, wherein the elastomer film is stretched when the wall sections interlock.
  • the rigidity of the compressible body can be influenced by the elastomer film and/or the design of the first and second wall sections.
  • An arrangement is therefore preferred in which the at least one cavity in the compressible body has a wall section with a one-dimensional or two-dimensional periodic surface structure. This surface structure makes compression of the compressible body significantly easier because the material of the wall sections can escape into the cavity.
  • the compressible body has a second one-dimensional or two-dimensional periodic surface structure that is arranged complementarily to the first one-dimensional or two-dimensional periodic surface structure and if there is also an elastomer film between the two one-dimensional or two-dimensional periodic surface structures that is stretched when the two complementarily arranged one-dimensional or two-dimensional periodic surface structures are pressed together.
  • an embodiment of the invention is also preferred in which the compressible body has a porous structure.
  • This can mean, for example, that the cavity is filled with a foam or that the compressible body consists of a foam.
  • the compressible body has at least one deformation sensor with two electrical connections.
  • the deformation sensor is designed as a capacitive deformation sensor, wherein the deformation sensor has at least two electrodes which are arranged in the compressible body and are each electrically connected to one of the connections.
  • the compressible body can further have a dielectric which is arranged between the at least two electrodes.
  • An electrical capacitance between the electrodes can therefore be increased by an expansion of the battery cell and reduced by a contraction of the battery cell.
  • Embodiments are also possible in which the electrical capacitance between the electrodes can be reduced by an expansion of the battery cell and can be increased by a contraction of the battery cell.
  • an electrical capacitance can be measured on the compressible body.
  • the compressible body contains at least one dielectric and at least two electrodes, the dielectric being arranged between the electrodes.
  • the compressible body is therefore a capacitive deformation sensor or the compressible body contains a capacitive deformation sensor.
  • the capacitance increases when the compressible body is compressed, for example as a result of the expansion of the battery cell.
  • the capacitance decreases.
  • the reverse is also possible, i.e. a reduction in the capacitance when the compressible body is compressed as a result of the expansion of the battery cell and an increase in the capacitance when the compressible body expands as a result of the contraction of the battery cell.
  • the at least one deformation sensor contains at least three electrodes, which are arranged at least partially parallel to one another and/or opposite one another and of which the two outer electrodes are electrically connected to one another.
  • parallel also refers to arrangements in which the electrodes each enclose angles of less than 45°, preferably less than 15°, particularly preferably less than 5°.
  • a dielectric can be arranged between the electrodes.
  • the two dielectrics and/or the two outer electrodes can also be formed in one piece in some embodiments.
  • the compressible body can therefore also contain more than one dielectric and more than two electrodes.
  • the two dielectrics are preferably located between the three electrodes arranged at least partially parallel to one another, whereby the two outer electrodes can be set to ground potential during the capacitance measurement.
  • the electrical The potential of the inner electrode is shielded against electrical fields penetrating from the outside.
  • the two dielectrics between the three electrodes also roughly double the capacitance compared to just one dielectric. This is an advantage, especially with small electrode surfaces, as the capacitance can be measured more precisely.
  • the dielectrics of the compressible body preferably consist of an elastomer or contain an elastomer.
  • the at least one cavity can also be part of the dielectric.
  • a foam structure can also form the dielectric or be part of the dielectric.
  • the volume of the cavity decreases.
  • This increases the permittivity of the dielectric because the volume fraction of the air-filled cavity with low permittivity decreases compared to the volume fraction of the elastomer with higher permittivity.
  • This can, for example, change the capacitance between the electrodes.
  • the electrodes also deform when the compressible body is deformed, which can change the capacitance between the electrodes.
  • the electrodes in the compressible body advantageously consist at least partially or completely of an elastomer that contains conductive particles. This makes it a conductive elastomer composite.
  • the concentration of the conductive particles is preferably well above the percolation limit so that the conductivity is maintained even if the elastomer composite is severely deformed.
  • the at least one deformation sensor is designed as a resistive deformation sensor, wherein the deformation sensor has at least one electrically conductive part which is arranged in the compressible body and is electrically connected to the two terminals in such a way that a resistance between the two terminals can be reduced by an expansion of the battery cell and can be increased by a contraction of the battery cell, or can be increased by an expansion of the battery cell and can be reduced by a contraction of the battery cell.
  • an electrical resistance is measured on the compressible body.
  • the compressible body contains at least one electrically conductive part that contains or consists of an elastomer with electrically conductive particles.
  • the compressible body also contains at least one cavity.
  • the electrical resistance between two electrical connections on the compressible body decreases.
  • This change in resistance can be caused by the electrically conductive part having the shape of a cone, for example, which is deformed when the compressible body is compressed.
  • the associated change in the geometric dimensions also changes the electrical resistance. If the tip of the cone is compressed, for example, it becomes shorter and wider, which reduces the electrical resistance along the cone axis. With this arrangement of the compressible body, an expansion of the battery cell can also be detected.
  • the compressible body is therefore a resistive deformation sensor or the compressible body contains a resistive deformation sensor. It can be advantageous if the cone axis coincides with the clamping direction at the location of the cone, i.e. the direction in which the force of the clamped body acts at the location of the cone, or deviates from the clamping direction by less than 45°, preferably less than 20°, particularly preferably less than 10°.
  • the at least one dielectric is formed from an elastomer, contains a cavity or consists of the cavity, and/or at least one of the at least two electrodes is formed from an elastomer with conductive particles.
  • advantageous embodiments of the resistive deformation sensor are possible in which at least the electrically conductive part is formed from an elastomer with conductive particles and/or contains a cavity and/or consists of a foam and/or contains a foam.
  • At least one of the at least two electrodes or the electrically conductive part is designed to be flat.
  • at least one of the at least two electrodes or the electrically conductive part can preferably be in the unloaded or loaded state.
  • the electrode or the electrically conductive part can be curved in the tensioned state of the compressible body, particularly preferably curved with a curvature angle of at least 30°.
  • Flat design can mean that the electrode or the electrically conductive part extends in at least two directions that are aligned perpendicular to one another. It is advantageous if a flat electrode or a flat electrically conductive part extends by at least 1 mm, particularly advantageously by at least 3 mm, very particularly advantageously by at least 5 mm in at least one of these directions or both of these directions.
  • At least one electrode has a flat shape in which the dimensions in two dimensions aligned perpendicular to one another are each at least 1 mm, preferably at least 3 mm, particularly preferably at least 5 mm. It is also preferred that the at least one flat electrode is not flat, but has a curvature, i.e. it is not a simple plate capacitor. The curvature should preferably be at least 30 degrees.
  • the dielectric, the electrodes and/or the electrically conductive part can each advantageously contain or consist of an elastomer.
  • An elastomer of the dielectric, at least one of the electrodes and/or the electrically conductive part can advantageously be silicone, fluorosilicone, polyurethane (PUR), polynorbornene, natural rubber (NR), styrene-butadiene (SBR), isobutylene-isoprene (II R), ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM/EPM), polychlorobutadiene (CR), chlorosulfonated polyethylene (CSM), acrylonitrile-butadiene (NBR), hydrogenated acrylonitrile-butadiene (HNBR), a fluororubber such as Viton, a thermoplastic elastomer such as thermoplastic styrene copolymers (styrene-butadiene-styrene (S
  • the dielectric comprises an elastomer which contains electrically polarizable particles such as barium titanate, lead zirconate titanate or titanium dioxide and/or electrically conductive particles made of carbon such as soot, graphite, graphene or carbon nanotubes, metals such as iron, copper, silver or gold or conductive polymers such as polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polyparaphenylene or polythiophene or an organic modification to increase the permittivity.
  • electrically polarizable particles such as barium titanate, lead zirconate titanate or titanium dioxide and/or electrically conductive particles made of carbon such as soot, graphite, graphene or carbon nanotubes, metals such as iron, copper, silver or gold or conductive polymers such as polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polyparaphenylene or polythiophene or an organic modification to increase the permittivity.
  • At least one of the electrodes or the electrically conductive part contains conductive particles of carbon such as soot, graphite, graphene or carbon nanotubes, metals such as iron, copper, silver or gold or conductive polymers such as polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polyparaphenylene or polythiophene.
  • the conductive particles in the electrodes and/or in the electrically conductive part of the compressible body are advantageously selected from the following list: carbon particles such as soot, graphite, graphene, carbon nanotubes, metal particles made of copper, silver, gold or iron, silver nanowires, metal-coated carbon particles or conductive polymers such as polyaniline, polyacetylene, polypyrrole, polyparaphenylene or polythiophene.
  • the at least one compressible body has two or more deformation sensors, each of which is arranged at different locations on the compressible body.
  • the compressible body contains more than one deformation sensor.
  • At least one of the deformation sensors can be designed as a capacitive deformation sensor or as a resistive deformation sensor.
  • the compressible body contains more than one combination of dielectric(s) and electrodes, at which the capacitance can be measured via separate connections, for example.
  • the compressible body contains more than one conductive part, at which the electrical resistance can be measured via separate connections.
  • a compressible body has at least one resistive deformation sensor and one or more capacitive deformation sensors, or in which the compressible body has at least one capacitive deformation sensor and one or more resistive deformation sensors.
  • a design of a compressible body with multiple deformation sensors allows the expansion and contraction of the battery cell to be measured at different points with just one compressible body.
  • the compressible body can have the shape of a flat mat in which the deformation sensors are distributed over the surface.
  • the arrangement of the deformation sensors over the surface of the mat can have the form of a one-dimensional row or a two-dimensional array, but irregular arrangements of the deformation sensors on the mat are also possible. It is preferred that the mechanical rigidity of such a sensor mat, which is determined by the local pressure required for a specific local compression, is almost the same at all points on the mat.
  • the stiffness at the points where a deformation sensor is located is comparable to the stiffness at the points where there is no deformation sensor and advantageously deviates from this by less than 50%, preferably less than 20%, particularly preferably less than 10%.
  • the pressure that the sensor mat exerts on the battery cell as a preload spring can be approximately the same at different points on the contact surface of the battery cell and advantageously deviate from one another by less than 50%, preferably less than 20%, particularly preferably less than 10%. Even with an array of sensors, i.e. several deformation sensors that are distributed locally and are integrated into the compressible body, this has an almost uniform stiffness across the surface, which ensures a homogeneous Pressure distribution on the battery cell.
  • the battery system preferably has at least two compressible bodies, each of which can be used as a deformation sensor. This means that more than one deformation sensor is available. In this case, the expansion and contraction of the battery cell can be measured at different points. In this way, information about the inhomogeneity of the expansion can be obtained, i.e., it is possible to determine, for example, at which point the battery cell expands particularly strongly.
  • the battery system preferably has at least two battery cells and at least two compressible bodies. It is preferred that exactly one compressible body is arranged between two battery cells. It is also preferred that a compressible body is arranged between two battery cells and/or that a rigid wall of the holding device is arranged particularly preferably between two battery cells, each with a compressible body.
  • the compressible bodies can be arranged alternately between the cells. If the individual battery cells are mechanically decoupled from one another, for example by a rigid and stiff housing or a rigid wall of the holding device, the expansion and contraction of this one specific battery cell can be recorded using the compressible body and the sensors integrated therein.
  • the compressible body has a temperature sensor, an ultrasonic sensor, a pressure sensor, an electrical sensor and/or an impedance sensor.
  • Efficient battery management requires Data on various properties of the battery. In order to do justice to this, the battery system can contain additional sensors. This particularly applies to a temperature sensor, but other sensors such as ultrasonic sensors or electrical sensors such as current, voltage or impedance sensors can also be part of the battery system according to the invention.
  • the battery system has electronics that are designed to measure at least one resistance between the two connections of the deformation sensor and/or one capacitance between the two connections of the deformation sensor.
  • the battery system can therefore have electronics for measuring the electrical capacitance or the electrical resistance of the compressible body.
  • the electronics preferably contain a microprocessor. Known measuring methods can be used to determine the electrical capacitance or the electrical resistance.
  • Additional functional layers based on an elastomer composite can be integrated into the compressible body.
  • Flame-retardant or flame-retardant additives or ceramic particles can be incorporated into the elastomer, which prevent or delay the thermal transfer from one cell to the adjacent cell in the event of thermal burnout of a battery cell, so that a thermal chain reaction of the entire battery module, a so-called "thermal runaway", does not occur or is delayed.
  • Thermally conductive particles can also be incorporated in order to transport the thermal energy towards the module base during operation.
  • Thermally switchable particles can also be incorporated, which enable good heat dissipation during operation and poor heat dissipation (thermal insulation between the individual cells) in the event of thermal damage. Such thermal damage can be detected by the additionally integrated temperature sensors, which serve as trigger signals for switching the thermal conductivity.
  • the compressible body During prestressing, a dimensional change in the clamping direction of at least 0.1% and a maximum of 99%, preferably at least 0.5% and a maximum of 95%, particularly preferably at least 1% and a maximum of 90% occurs.
  • the compressible body is compressed.
  • the length of the compressible body in the clamping direction is therefore shortened by the prestressing, in particular by at least 0.1% and a maximum of 99%, preferably by at least 0.5% and a maximum of 95%, particularly preferably by at least 1% and a maximum of 90%.
  • the compressible body behaves like a spring which is compressed by the preload when clamped.
  • the characteristic curve of the compressible body which represents the pressure acting on the compressible body as a function of the compression of the compressible body, should have a slight gradient.
  • a conventional compression spring generally shows an increasing gradient of the pressure-compression characteristic curve with increasing compression.
  • the pressure-compression characteristic curve of the compressible body has an initial gradient which is formed by the quotient of the preload and the resulting compression (preload compression). It is advantageous if the gradient of the pressure-compression characteristic curve of the compressible body in the subsequent compression range between the preload compression and twice the value of the preload compression is a maximum of twice the value of the initial gradient.
  • the compressible body can be used as a pre-tensioning device for exerting pressure on the battery cell and/or as a deformation sensor for detecting the expansion and/or contraction of the battery cell.
  • Fig. 1 The individual components of a first embodiment of a battery system.
  • FIG. 2 The individual components of another embodiment of a battery system.
  • FIG. 3 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • FIG. 4 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • FIG. 5 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • FIG. 6 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • Fig. 7 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • FIG. 8 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • FIG. 9 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • Fig. 10 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • Fig. 11 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • Fig. 12 Another embodiment of a battery system in sectional view and in different expansion states of the battery cell.
  • FIG. 13 Another embodiment of a battery system with curved surfaces.
  • Figure 1 shows the components of a battery system 1 according to the invention in separate form: the holding device 4, the battery cell 2 and the compressible body 3 with a capacitive deformation sensor 5.
  • the compressible body is shown in its basic form in the uncompressed, i.e. unloaded state ( Figure 1c) and in the compression generated to preload the battery cell (Figure 1d), in a stronger ( Figure 1e) and in an almost complete compression (Figure 1f).
  • Figure 1c uncompressed state
  • Figure 1d Figure 1d
  • Figure 1e in an almost complete compression
  • Figure 1f shows the measurable electrical capacity increases from the initial value Co in the unloaded state via the values Ci and C2 to C3 with almost complete compression.
  • Figure la shows the holding device 4 in which the battery cell 2 can be clamped together with the compressible body 3.
  • the battery cell is shown in Figure lb, and the compressible body in various compressed states is shown in Figures lc, d, e and f.
  • Figure lc shows the compressible body 3 by way of example in the unloaded state, i.e. in a state in which no external forces act on the compressible body that could lead to its deformation.
  • the compressible body 3 has a cavity 31 which, in the embodiment shown, is delimited by a first wall section 32 and a second wall section 33.
  • the two wall sections 32 and 33 have a spatially repeating, i.e. periodic, surface structure.
  • the second wall section 33 is designed such that it can engage in the first wall section 33 when the compressible body is compressed, see for example Figures ld, le and lf.
  • the compressible body in the embodiment of Figures lc-lf has two terminals 51, 52, each of which is electrically connected to an electrode 53, 54.
  • the two electrodes 53, 54 are arranged in the compressible body 3. In the embodiment shown here, the electrodes 53,
  • the dielectric 55 is made of an elastomer.
  • embodiments are also possible in which the dielectric
  • the dielectric 55 is formed from an elastomer with cavities, for example a porous foam. Irrespective of this, embodiments are possible in which the dielectric 55 is formed from the entire cavity 31 or a region of the cavity 31 and only contains a gas, for example air.
  • Figure 2 shows the components of a further embodiment of a battery system 1 according to the invention in separate form: the holding device 4, the battery cell 2 and the compressible body 3 with a resistive deformation sensor 5.
  • the compressible body 3 is shown in its basic form in the unloaded state ( Figure 2c) and in the compression generated to preload the battery cell 2 (Figure 2d), in a stronger compression ( Figure 2e) and in an almost complete compression (Figure 2f).
  • Figure 2c With increasing compression of the resistive deformation sensor, in the embodiment shown the measurable electrical resistance falls from the initial value R o in the unloaded state via the values Ri and R2 to R3 with almost complete compression.
  • Figure 2c shows a compressible body 3 with a resistive deformation sensor 5, which has an electrically conductive part 56, 58.
  • the electrically conductive part is electrically connected to two terminals 51, 52.
  • the electrically conductive part 56, 58 is compressed, the electrical resistance between two ends of the electrically conductive part 56, 58 changes, the first end of the electrically conductive part 56 being connected to a first of the terminals 51, 52 and the second end of the electrically conductive part 58 being connected to the second of the terminals 51, 52.
  • the electrically In the embodiment shown, the conductive part has conical contact elements. The conical contact elements create an electrical connection between the first and the second end of the electrically conductive part 56, 58.
  • the conical contact elements can be deformed when the compressible body is compressed, see for example Figures 2d, e, f.
  • the associated change in the geometric dimensions also changes the electrical resistance: If, for example, the cone tip of the contact element is compressed in the embodiment of Figure 2, it becomes shorter and wider, whereby the electrical resistance along the cone axis, which in this embodiment is parallel to the clamping direction, decreases.
  • the invention is not limited to electrically conductive parts 56, 58 with conical contact elements. These contact elements can also be rib-shaped or knob-shaped or have an irregular structure, for example.
  • other designs of the electrically conductive part 56, 58 are possible as long as the resistance between two ends of the electrically conductive part 56, 58 can change upon compression and/or decompression of the electrically conductive part 56, 58.
  • Figure 3 shows an embodiment of a battery system 1 with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible body 3 has a capacitive deformation sensor 5.
  • the compressible body 3 has two elastomer films with profiles that are aligned complementarily to one another, which form the first wall section 32 and the second wall section 33 and delimit the cavity 31.
  • the compressible body also has a dielectric 55 designed as an unprofiled elastomer film 59 with two electrodes 53,
  • the profiles, or the first wall section 32 and the second wall section 33 increasingly engage with each other and thereby stretch the elastomer film 59 serving as the dielectric 55, whereby the electrical capacity between the electrodes 53, 54 increases.
  • the electrodes 53, 54 are each electrically connected to one of the connections 51, 52.
  • the elastic stretching of the elastomer film 59 also causes the return during the Relief of the compressible body 3. Shown are the equilibrium state of compression of the compressible body 3 by the mechanical prestress of the battery cell 2, a more strongly compressed state due to the expansion of the battery cell 2 during operation, such as when charging, and a state of strong compression due to extreme expansion of the battery cell 2.
  • Figure 4 shows a further embodiment of a battery system 1 with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible body 1 has a capacitive deformation sensor 5.
  • the compressible body 3 has two elastomer films with profiles that are aligned complementarily to one another, which form the first wall section 32 and the second wall section 33 and delimit the cavity 31.
  • the compressible body also has a dielectric 55 designed as an unprofiled elastomer film 59 with three electrodes 53, 54, 57, with two of the electrodes 53 and 57 being arranged on both sides of the elastomer film 59 and one of the electrodes 54 being arranged inside the elastomer film 59.
  • the dielectric 55 or the elastomer film 59 is arranged between the profiles together with the electrodes 53, 54, 57.
  • the two outer electrodes 53, 57 of the three electrodes 53, 54, 57 are both electrically connected to one of the connections 51.
  • the inner electrode 54 is electrically connected to the other connection 52.
  • the two outer electrodes 53, 57 on the elastomer film 59 can be set to ground potential, whereby the inner electrode 54 can be shielded against external electrical fields.
  • the elastic expansion of the elastomer film 59 also causes the resetting when the deformation sensor 5 is relieved.
  • Figure 5 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible body 3 has a capacitive deformation sensor 5.
  • the compressible body 3 has two elastomer films with profiles that are aligned complementarily to one another, which form the first wall section 32 and the second wall section 33 and delimit the cavity 31.
  • the electrodes 53, 54 of the capacitive deformation sensor 5 are designed in this embodiment as electrode layers on the surfaces of the two profiles, i.e. the first wall section 32 and the second wall section 33.
  • the compressible body also has a dielectric 55, which has both an unprofiled elastomer film 59 and is at least partially formed from the cavity 31.
  • the profiles When the deformation sensor 5 is compressed, the profiles increasingly interlock and stretch the elastomer film 59. As the electrode layers 53, 54 on the profiles come closer together, the electrical capacitance between the electrode layers 53, 54 increases. The elastic stretching of the elastomer film 59 also causes the compression to return when the compressible body 3 is relieved.
  • the equilibrium state of the compression of the compressible body 3 due to the mechanical prestress of the battery cell 2 a more strongly compressed state due to the expansion of the battery cell 2 during operation, such as when charging, and a state of strong compression due to extreme expansion of the battery cell 2 are shown.
  • Figure 6 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible body 3 has a capacitive deformation sensor 5.
  • the compressible body 3 has two elastomer films with profiles that are aligned complementarily to one another, which form the first wall section 32 and the second wall section 33 and delimit the cavity 31.
  • the electrodes 53, 57 of the capacitive deformation sensor 5 are in this embodiment as electro- layers on the surfaces of the two profiles, i.e. the first wall section 32 and the second wall section 33.
  • the compressible body also has a dielectric 55, which has both an unprofiled elastomer film 59 and is at least partially formed from the cavity 31.
  • the elastomer film 59 has a third electrode 54, which is arranged as an electrode layer inside the elastomer film 59.
  • the two electrodes 53, 57 formed as electrode layers on the surfaces of the profiles are both electrically connected to one of the connections 51, while the electrode 54 inside the elastomer film 59 is electrically connected to the other connection 52.
  • the electrical capacitance between the electrode layers increases.
  • the two outer electrodes 53, 57 on the profile surfaces can be set to ground potential, which shields the inner electrode 54 against external electrical fields.
  • the elastic stretching of the elastomer film 59 also causes the compressible body 3 to return to its original position when the load is released.
  • the equilibrium state of the compression of the compressible body 3 due to the mechanical prestress of the battery cell 2 a more strongly compressed state due to the expansion of the battery cell 2 during operation, such as when charging, and a state of strong compression due to extreme expansion of the battery cell 2 are shown.
  • Figure 7 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible body 3 has a resistive deformation sensor 5.
  • the resistive deformation sensor 5 has two connections 51, 52 and an electrically conductive part 56, 58. The connections are each electrically connected to one side of the electrically conductive part 56, 58.
  • the electrically conductive part 56, 58 has an elastomer film with a profile 58 on one side and an unprofiled elastomer film 56 on the other side.
  • the profile of one elastomer film 58 contains several conical contact tips.
  • Both Elastomer films 56, 58 are electrically conductive, which means that an electrical resistance can be measured, for example, when the two films 56, 58 are connected to an electrical voltage source via the connections 51, 52.
  • the contact tips of the elastomer film 58 are increasingly compressed, which reduces the electrical resistance between the electrical connections 51, 52 of the deformation sensor 5.
  • the elastic compression of the profile also causes the compression to return when the compressible body 3 is relieved.
  • the equilibrium state of the compression of the compressible body 3 due to the mechanical prestress of the battery cell 2 a more strongly compressed state due to the expansion of the battery cell 2 during operation, such as when charging, and a state of strong compression due to extreme expansion of the battery cell 2 are shown.
  • Figure 8 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with a battery cell 2 and two compressible bodies 3a, 3b in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible bodies 3a, 3b can have capacitive or resistive deformation sensors 5a, 5b.
  • the deformation sensors 5a, 5b are increasingly compressed, whereby the electrical capacitances between the electrodes of the capacitive deformation sensors increase or the electrical resistances between the electrical connections of the resistive deformation sensors decrease.
  • the elastic deformation of the compressible bodies 3a, 3b also causes the compression when the compressible bodies 3a, 3b are relieved.
  • the deformation sensors 5a, 5b can measure the deformation of the battery cell 2 at different points on the battery cell 2. This can also be used to determine, for example, an uneven deformation of the battery cell 2.
  • one compressible body 3a has a resistive deformation sensor 5a and the other compressible body 3b has a capacitive deformation sensor 5b.
  • embodiments are conceivable in which only one of the two compressible bodies 3a has a deformation sensor 5a.
  • Figure 9 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible body 3 in this embodiment contains two deformation sensors 5a, 5b.
  • the deformation sensors 5a, 5b are increasingly compressed, as a result of which the electrical capacitances between the electrodes of the capacitive deformation sensors can increase or the electrical resistances between the electrical connections of the resistive deformation sensors can decrease.
  • the elastic deformation of the compressible body 3 also causes it to reset when the compressible body 3 is relieved.
  • the capacitive and/or resistive deformation sensors 5a, 5b in the compressible body 3 can measure the deformation of the battery cell 2 at different positions. This also makes it possible to determine an uneven deformation of the battery cell 2. Since the deformation sensors 5a, 5b are part of a compressible body 3, it is also ensured that an approximately equal pressure is exerted on the battery cell over the surface of the compressible body.
  • Figure 10 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with three battery cells 2a, 2b, 2c and three compressible bodies 3a, 3b, 3c in an alternating sequence in a common holding device 4 in the form of a housing.
  • One of the compressible bodies 3a contains two deformation sensors 5a, 5b.
  • the three compressible bodies 3a, 3b, 3c are increasingly compressed.
  • the electrical capacitances between the electrodes increase in the case of capacitive deformation sensors, or the electrical resistances between the electrical connections decrease in the case of resistive deformation sensors.
  • the elastic deformation of the compressible bodies 3a, 3b, 3c also causes them to reset when the load is removed, for example by contraction of the battery cells 2a, 2b, 2c.
  • the two deformation sensors 5a, 5b of the one compressible body can detect an average expansion or contraction of the three battery cells 2a, 2b, 2c. Shown here is only the equilibrium state of compression of the three compressible bodies 3a, 3b, 3c due to the mechanical prestressing of the three battery cells 2a, 2b, 2c.
  • FIG 11 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with three battery cells 2a, 2b, 2c and three compressible bodies 3a, 3b, 3c in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the compressible bodies 3a, 3b, 3c each contain two deformation sensors 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, which can be formed by capacitive or resistive deformation sensors, for example.
  • a rigid wall 41a, 41b is located between two battery cells 2a, 2b, 2c, each with a compressible body 3a, 3b, 3c.
  • Each of the three arrangements consisting of a battery cell 2a, 2b, 2c and a compressible body 3a, 3b, 3c is thus located in a separate housing.
  • the compressible body 3a, 3b, 3c in a housing thus absorbs the deformation of the associated battery cell 2a, 2b, 2c and is not influenced by other battery cells 2a, 2b, 2c or other compressible bodies 3a, 3b, 3c.
  • the deformation sensors (5a, 5b), (5c, 5d), (5e, 5f) belonging to the adjacent compressible body 3a, 3b, 3c are increasingly compressed, whereby the electrical capacitances between the electrodes of the capacitive deformation sensors can increase or the electrical resistances between the electrical connections of the resistive deformation sensors can decrease.
  • the elastic deformation of the compressible bodies 3a, 3b, 3c also causes them to reset when the load is removed. for example, by contraction of the respective battery cell 2a, 2b, 2c.
  • Figure 11 only shows the equilibrium state of the compression of the three compressible bodies 3a, 3b, 3c by the mechanical prestressing of the three battery cells 2a, 2b, 2c.
  • Figure 12 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing in a view in which the battery cell 2 is located behind the compressible body 3.
  • the compressible body 3 contains a total of twelve deformation sensors 5a, 5b,..., which are arranged in the form of a 3x4 matrix and can be formed, for example, from capacitive or resistive deformation sensors.
  • the deformation sensors 5a, 5b,... are increasingly compressed, whereby the electrical capacitances between the electrodes of the capacitive deformation sensors increase or the electrical resistances between the electrical connections of the resistive deformation sensors decrease.
  • the elastic deformation of the compressible body 3 also causes the resetting when the compressible body 3 is relieved.
  • the twelve capacitive or resistive deformation sensors 5a, 5b,... can measure the deformation of the battery cell 2 at different positions with spatial resolution. This also makes it possible to determine an uneven deformation of the battery cell 2 with high accuracy. Since the deformation sensors 5a, 5b,... are part of a compressible body 3, it is also ensured that an approximately equal pressure is exerted on the battery cell 2 over the entire surface of the compressible body 3.
  • FIG 13 shows a further embodiment of a battery system 1 according to the invention with a battery cell 2 and a compressible body 3 in a holding device 4 in the form of a housing.
  • the battery cell 2 has a curved surface 21 against which the compressible body 3 rests.
  • the compressible body 3 is clamped together with the battery cell 2 in the holding device 4 and transmits a force on the battery cell 2, which is aligned substantially perpendicular to the curved surface 21.
  • the force can act in the radial direction, for example.
  • the system has several compressible bodies, and/or in which compressible bodies have several deformation sensors, and/or in which the battery system has several battery cells.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batteriezelle und einem reversibel kompressiblen Körper mit einem Deformationssensor, sowie die Verwendung des kompressiblen Körpers in einem Batteriesystem.

Description

Batteriesystem und dessen Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batteriezelle und einem reversibel kompressiblen Körper mit einem Deformationssensor, sowie die Verwendung des kompressiblen Körpers in einem Batteriesystem.
Batteriesysteme, insbesondere wiederaufladbare Batterien, benötigen zum sicheren, effizienten und langlebigen Betrieb eine leistungsfähige Sensorik, die verschiedene elektrische und mechanische Eigenschaften erfasst. Entsprechend erfasste Sensordaten werden von einem Batteriemanagementsystem ausgewertet, um den Betrieb des Batteriesystems optimal zu steuern. Eine Batterie oder ein Batteriesystem besteht in der Regel aus einer Vielzahl von einzelnen Batteriezellen, die die elektrisch zugeführte Energie elektrochemisch speichern und bei Bedarf wieder als elektrische Energie zur Verfügung stellen. Im Idealfall wird jede Zelle einzeln überwacht, was jedoch einen hohen Aufwand erfordert, sodass die Sensoren kostengünstig sein müssen.
Eine wichtige zu messende Größe ist die Ausdehnung der Batteriezelle im laufenden Betrieb. Beim Ladevorgang dehnt sich die Batteriezelle aus, während sie sich beim Entladen zusammenzieht. Diese Volumenänderung lässt sich auf die elektrochemischen Vorgänge in der Batteriezelle zurückführen. Diese Form der Ausdehnung ist damit reversibel. Eine andere Form der Ausdehnung erfolgt durch die Alterung der Batteriezelle. Eine solche Ausdehnung ist irreversibel. Darüber hinaus kann sich das Volumen der Batteriezelle auch durch auftretende Schädigungen verändern. Alle diese Ausdehnungseffekte sollten durch eine geeignete Sensorik erfasst werden.
Die Zellen eines Batteriesystems wie beispielsweise einer Lithium-Ionen-Bat- terie sollten im Betrieb mit einem bestimmten mechanischen Druck vorgespannt werden. Wird die Batteriezelle in einem festen Gehäuse eingespannt, steigt der Druck bei der Ausdehnung der Batteriezelle deutlich an. Dies kann zu Schäden an der Batteriezelle oder sogar zur Zerstörung führen. Eine Drucksensorik in dem Batteriesystem kann den Druckanstieg zwar verfolgen, aber nicht verhindern. Besser ist daher ein Mechanismus, der den Druckanstieg beim Betrieb des Batteriesystems zumindest in den zulässigen Grenzen hält.
Verschiedene Patentschriften behandeln eine Kompensation der Ausdehnung, die eine Batteriezelle im laufenden Betrieb erfährt. Die WO21130471 Al beschreibt einen Mechanismus für eine Schwellkompensation in Batteriezellen. Dabei nimmt ein Schaummaterial die Ausdehnung auf und wird dabei komprimiert. Eine Sensorfunktion wird in der Patentschrift nicht offenbart.
Dementsprechend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Batteriesysteme sowohl mit einer Monitoring-Funktion als auch mit einer Schutzfunktion bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch das nachfolgend beschriebene Batteriesystem gelöst.
Die Aufgabe wird durch ein Batteriesystem nach Anspruch 1, sowie durch die Verwendung eines kompressiblen Körpers nach Anspruch 19 gelöst.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, ein Batteriesystem mit einem kompressiblen Körper mit Sensorfunktion bereitzustellen, der die Ausdehnung und das Zusammenziehen einer Batteriezelle mit hoher Empfindlichkeit messen kann, wobei die Batteriezelle durch den kompressiblen Körper mit einer vorgegebenen mechanischen Vorspannung belegt wird und der kompressible Körper dadurch vorkomprimiert wird. Bei der Ausdehnung der Batterie wird der kompressible Körper weiter komprimiert, wodurch beispielsweise die elektrische Kapazität eines Sensors ansteigen kann bzw. der elektrische Widerstand absinkt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die mechanische Spannung auf die Batterie gegenüber der Vorspannung nur wenig ansteigt, sodass die Batterie nur wenig zusätzlich belastet wird.
Das Batteriesystem weist zumindest eine Batteriezelle und zumindest einen reversibel kompressiblen Körper mit mindestens einem Deformationssensor auf.
Mit dem kompressiblen Körper lässt sich daher eine Deformation an zumindest einer Stelle des kompressiblen Körpers erfassen. Der kompressible Körper fungiert dabei als Deformationssensor. Eine erste bevorzugte Variante sieht vor, dass der kompressible Körper dem oder den Deformationssensorfen) entspricht.
Der kompressible Körper steht in direktem oder indirektem mechanischem Kontakt mit einer Oberfläche der Batteriezelle.
Der kompressible Körper ist aus einem Elastomer gebildet. Der kompressible Körper kann also zumindest teilweise aus einem Elastomer bestehen. Weiter weist der kompressible Körper zumindest einen Hohlraum auf. Der Hohlraum kann beispielsweise ein vom kompressiblen Körper vollständig oder zumindest teilweise umschlossenes Volumen sein, das beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas oder einem porösen Schaum gefüllt sein kann. Der kom- pressible Körper kann auch eine poröse Struktur aufweisen, die beispielsweise durch mehrere der Hohlräume gebildet wird.
Erfindungsgemäß ist der kompressible Körper gemeinsam mit der Batteriezelle in einer Haltevorrichtung des Batteriesystems zur Erzeugung einer Vorspannung eingespannt.
Die Batteriezelle und der kompressible Körper sind erfindungsgemäß derart eingespannt, dass der eingespannte kompressible Körper gegenüber einem unbelasteten Zustand komprimiert ist und einen einstellbaren Druck auf die Batteriezelle ausübt. Der eingespannte Körper ist durch eine Ausdehnung der Batteriezelle stärker komprimierbar. Das bedeutet, dass der gemeinsam mit der Batteriezelle eingespannte komprimierte kompressible Körper durch eine Ausdehnung der Batteriezelle stärker komprimiert werden kann. Weiter ist der eingespannte kompressible Körper durch eine Kontraktion der Batteriezelle weniger stark komprimierbar. Wenn sich die Ausdehnung der Batteriezelle also wieder verringert oder wenn sich die Batteriezelle zusammenzieht, kann der kompressible Körper dieser Kontraktion der Batteriezelle folgen. Unter einer Batteriezelle wird eine Batteriezelle zum Zeitpunkt des Einbaus in das Batteriesystem angesehen, also eine Batteriezelle, die noch keine alterungsbedingte Volumenveränderung erfahren hat und sich ausgehend von dieser Größe ausdehnen oder kontrahieren kann. Bei der Batteriezelle kann es sich aber ebenso um eine Batteriezelle handeln, die vor oder nach dem Einbau eine alterungsbedingte Volumenveränderung erfahren hat und sich davon ausgehend ausdehnen oder kontrahieren kann.
Das Batteriesystem weist also neben der Batteriezelle einen reversibel kom- pressiblen Körper auf, der gleichzeitig als Ausdehnungssensor und als Vorspannfeder für die Batteriezelle oder Batterie verwendet werden kann.
Eingespannt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der kompressible Körper in zumindest eine Richtung eine Kraft auf die Batteriezelle ausübt oder überträgt. Unter dem eingespannten kompressiblen Körper ist also der kompressible Körper zu verstehen, auf den ein Druck ausgeübt wird und der dadurch verformt ist. Der unbelastete kompressible Körper beschreibt hingegen den kompressiblen Körper in einem Kräfte-freien Zustand, in dem keine externen Kräfte auf den kompressiblen Körper einwirken, die zu einer Verformung des kompressiblen Körpers führen können. Der kompressible Körper ist vorzugsweise gemeinsam mit der Batteriezelle derart in die Haltevorrichtung einbaubar, dass der kompressible Körper zum Zeitpunkt des Einbaus komprimiert ist.
Eine Richtung, in die eine Kraft an einer Stelle des kompressiblen Körpers beim Einspannen des kompressiblen Körpers mit der Batteriezelle im Batteriesystem wirkt, wird nachstehend als Einspannrichtung bezeichnet. Die Einspannrichtungen an unterschiedlichen Stellen des kompressiblen Körpers oder der Batteriezelle können in manchen Ausführungsformen parallel zueinander ausgerichtet sein. In runden oder gekrümmten Abschnitten der Batteriezelle oder beispielsweise zylinderförmigen Anordnungen können die Einspannrichtungen beispielswiese an unterschiedlichen Stellen des kompressiblen Körpers oder der Batteriezelle nicht parallel zueinander ausgerichtet sein und beispielsweise in radialer Richtung ausgerichtet sein.
Wie bereits oben beschrieben ist der kompressible Körper mit einem Elastomer gebildet, was bedeutet, dass der kompressible Körper ein Elastomer enthält oder weitgehend aus einem Elastomer besteht. Der Volumenanteil eines Elastomers am kompressiblen Körper kann also zumindest größer als 0 % sein. Außerdem enthält der kompressible Körper mindestens einen Hohlraum. Durch das Elastomer wird die Reversibilität der Kompression bei nachlassendem Kompressionsdruck erreicht. Der Hohlraum bewirkt eine hohe Kompressibilität des Körpers. Der Hohlraum kann durch eine periodische Oberflächenstruktur zwischen verschiedenen Schichten des kompressiblen Körpers erzeugt werden. Eine andere Möglichkeit der Erzeugung des Hohlraums besteht in der Ausbildung von Porosität im kompressiblen Körper. Die Porosität kann eine offene oder auch eine geschlossene Porosität sein.
Der kompressible Körper steht erfindungsgemäß mit der Oberfläche der Batteriezelle direkt oder indirekt in Kontakt, d. h. er berührt die Oberfläche der Batteriezelle oder es befindet sich ein anderer Körper dazwischen, der die Batteriezelle und den kompressiblen Körper berührt. Gegenstand der Erfindung ist also ein Batteriesystem, das mit dem Deformationssensor des kompressiblen Körpers die geometrische Ausdehnung und die Kontraktion einer Batterie oder Batteriezelle im laufenden Betrieb erfassen kann und die Batterie vor Schäden und Zerstörung schützt. Dabei wird vorzugsweise nicht nur der Druck, sondern auch die geometrische Verformung gemessen. In dem Monitoring-System dient der kompressible Körper mit Deformationssensor gleichzeitig als Vorspannfeder für die Batterie, um den darauf wirkenden Druck in einem gewünschten Druckbereich zu halten und die Batterie damit vor Schäden und Zerstörung zu schützen. Der kompressible Körper weist eine Hohlraumstruktur auf, mit der eine hohe Kompressibilität in dem betreffenden Druckbereich erzeugt wird.
Der kompressible Körper wird zusammen mit der Batteriezelle in einer Haltevorrichtung so eingespannt, dass er gegenüber seinem unbelasteten Zustand vorkomprimiert wird und dadurch einen Druck auf die Batteriezelle ausübt. Damit wirkt der kompressible Körper als Vorspannfeder für die Batteriezelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Batteriesystems weisen die Batteriezelle und der kompressible Körper eine flächige Struktur auf. Vorteilhafterweise sind Batteriezelle und kompressibler Körper parallel zueinander angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass die Einspannrichtung, also die Richtung, in die die durch das Einspannen erzeugte Kraft wirkt, senkrecht zu der Oberfläche steht, an der die Kraft wirkt. Die Einspannrichtung kann also vorteilhafterweise senkrecht zur Kontaktfläche ausgerichtet sein. In manchen Ausführungsformen kann die Batteriezelle beispielsweise quaderförmig sein und der kompressible Körper mit einem Abschnitt einer Seitenfläche der quaderförmigen Batteriezelle in direktem oder indirektem mechanischem Kontakt stehen. Es sind jedoch beispielsweise auch zylinderförmige oder Batteriezellen mit runden Abschnitten möglich, sodass der kompressible Körper beispielsweise auch mit einer gekrümmten Seite der Batteriezelle in direktem oder indirektem Kontakt stehen kann.
Vorteilhafterweise steht der kompressible Körper also mit der Oberfläche einer Seite der Batteriezelle vollflächig direkt oder indirekt in Kontakt. Der Vorteil eines kompressiblen Körpers, der vollflächig mit der Oberfläche einer Seite der Batteriezelle direkt oder indirekt in Kontakt steht, ist die gleichmäßige Druckausbildung der Vorspannfeder auf die Batteriezelle, welche für die Lebensdauer der Batteriezelle förderlich ist. In einem mechanisch verspannten Batteriesystem werden somit die Oberflächenunebenheiten, die fertigungsbedingt bei Batteriezellen vorliegen und bei Verspannung punktuell hohe Belastungen in der Zelle erzeugen können, ausgeglichen bzw. die Belastung gleichmäßig verteilt. Derartige punktuelle Verspannungen wirken sich negativ auf die Lebensdauer aus und können mit dem beschriebenen Batteriesystem verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der kompressible Körper um mindestens 0,05 mm, bevorzugt um mindestens 0,1 mm, besonders bevorzugt um mindestens 0,2 mm reversibel komprimierbar ist. Das bedeutet, dass der kompressible Körper ausgehend vom unbelasteten Zustand, bevorzugt zeitlich unmittelbar nach dem Einbau, um mindestens 0,05 mm, bevorzugt um mindestens 0,1 mm, besonders bevorzugt um mindestens 0,2 mm reversibel komprimierbar ist. Reversibel komprimierbar bedeutet, dass sich der kompressible Körper nach der Kompression wieder im Wesentlichen in die Form des unbelasteten Zustands zurückverformen kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der kompressible Körper in Einspannrichtung um die oben genannten Beträge reversibel komprimierbar ist.
Die Ausdehnung bekannter wiederaufladbarer Batteriezellen im laufenden Betrieb beträgt mehr als 0.05 mm. Um diesen Bereich sensorisch erfassen zu können und darüber hinaus auch weitere Ausdehnungen, z. B. durch die Alterung der Batteriezellen, sollte der kompressible Körper auch im eingespannten Zustand um mindestens 0,05 mm, bevorzugt um mindestens 0,1 mm, besonders bevorzugt um mindestens 0,2 mm komprimiert werden können.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der kompressible Körper im unbelasteten Zustand eine Steifigkeit aufweist, sodass zur Kompression um 0,1 mm ein Druck von weniger als 500 kPa, bevorzugt weniger als 100 kPa, besonders bevorzugt weniger als 25 kPa aufgebracht werden muss. Der kompressible Körper ist vorteilhafterweise also ausreichend leicht komprimierbar, damit die Batterie nicht einem zu hohen Druck ausgesetzt wird, der zu einer Schädigung führen könnte. Besonders bevorzugt kann der eingespannte kompressible Körper eine Steifigkeit aufweisen, bei der zur Kompression um 0,1 mm ein Druck von maximal 500 kPa, bevorzugt von maximal 100 kPa, besonders bevorzugt von maximal 25 kPa aufgebracht werden muss.
Es ist weiter bevorzugt, dass der kompressible Körper im eingespannten Zustand einen Druck von mehr als 5 kPa, bevorzugt mehr als 10 kPa, besonders bevorzugt mehr als 20 kPa auf die Batteriezelle ausübt und/oder weniger als 10000 kPa, bevorzugt weniger als 5000 kPa, besonders bevorzugt weniger als 1000 kPa ausübt. Vorzugsweise übt der kompressible Körper unmittelbar nach dem Einbau des kompressiblen Körpers und der Batteriezelle in die Haltevorrichtung des Batteriesystems einen Druck von mehr als 5 kPa, bevorzugt mehr als 10 kPa, besonders bevorzugt mehr als 20 kPa aus. Vorzugsweise übt der kompressible Körper unmittelbar nach dem Einbau des kompressiblen Körpers und der Batteriezelle in die Haltevorrichtung des Batteriesystems einen Druck von weniger als 10000 kPa, bevorzugt weniger als 5000 kPa, besonders bevorzugt weniger als 1000 kPa aus. In besonders bevorzugten Ausführungsform ist der kompressible Körper derart ausgestaltet, dass ein durch den kompressiblen Körper auf eine Kontaktfläche der Batteriezelle ausgeübter Druck gleichmäßig ist. Gleichmäßig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die ausgeübten Drücke an unterschiedlichen Stellen der Kontaktfläche um weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 10 % voneinander abweichen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass im unbelasteten Zustand das Volumen des zumindest einen Hohlraums mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %, besonders bevorzugt mindestens 30 % des Gesamtvolumens des kompressiblen Körpers im unbelasteten Zustand beträgt. Dadurch kann vorteilhafterweise eine ausreichende Kompressibilität des kompressiblen Körpers erreicht werden. Das Gesamtvolumen des kompressiblen Körpers im unbelasteten Zustand kann dabei als das Volumen, das von den Außenflächen des kompressiblen Körpers eingeschlossen wird, verstanden werden. Das Volumen des zumindest einen Hohlraums bezeichnet dabei das gesamte Volumen aller Hohlräume, falls der kompressible Körper mehrere nicht miteinander verbundene Hohlräume aufweist. Um eine ausreichende Kompressibilität des kompressiblen Körpers zu erreichen, sollte also der Volumenanteil des Hohlraums bzw. der Hohlräume im unbelasteten Zustand mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %, besonders bevorzugt mindestens 30 % des Volumens des kompressiblen Körpers betragen.
Es ist bevorzugt, dass der zumindest eine Hohlraum von zumindest einem ersten Wandabschnitt mit einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Oberflächenstruktur begrenzt ist. Von den Wänden, die den Hohlraum umschließen, weisen also ein oder mehrere Abschnitte eine ein- oder zweidimensionale Oberflächenstruktur auf. Die Oberflächenstruktur kann dabei periodisch sein, sich also räumlich periodisch wiederholen. In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen kann der Wandabschnitt, der die Oberflächenstruktur aufweist, mit der Einspannrichtung einen Winkel größer 0° einschließen oder gar senkrecht zur Einspannrichtung ausgerichtet sein. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass der erste Wandabschnitt derart ausgebildet ist, dass eine Flächennormale an einer Stelle auf dem ersten Wandabschnitt parallel zu einer Einspannrichtung an dieser Stelle ist, oder vorteilhafterweise um weniger als 45°, bevorzugt weniger als 30°, besonders bevorzugt um weniger als 10° von der Einspannrichtung abweicht.
Vorteilhafterweise ist der zumindest eine Hohlraum von einem zweiten Wandabschnitt begrenzt, der dem ersten Wandabschnitt gegenüberliegt und derart ausgebildet ist, dass der erste Wandabschnitt und der zweite Wandabschnitt bei einer Kompression des kompressiblen Körpers ineinandergreifen können. Dazu kann beispielsweise ein hervorstehender Abschnitt des einen Wandabschnitts in eine Ausnehmung des jeweils anderen Wandabschnitts fügbar sein, wenn der kompressible Körper komprimiert wird. Der zweite Wandabschnitt kann dazu beispielsweise zumindest bereichsweise oder vollständig komplementär zum ersten Wandabschnitt ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist außerdem, wenn der kompressible Körper eine Elastomerfolie aufweist. Die Elastomerfolie kann zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem zweiten Wandabschnitt angeordnet sein, wobei die Elastomerfolie beim Ineinandergreifen der Wandabschnitte gedehnt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise die Steifigkeit des kompressiblen Körpers durch die Elastomerfolie und/oder die Ausbildung der ersten und zweiten Wandabschnitte beeinflusst werden. Bevorzugt ist daher eine Anordnung, bei der der mindestens eine Hohlraum im kompressiblen Körper einen Wandabschnitt mit einer eindimensionalen o- der zweidimensionalen periodischen Oberflächenstruktur aufweist. Durch diese Oberflächenstruktur wird die Kompression des kompressiblen Körpers deutlich erleichtert, da das Material der Wandabschnitte in den Hohlraum ausweichen kann. Es kann außerdem vorteilhaft sein, wenn der kompressible Körper eine zweite eindimensionale oder zweidimensionale periodische Oberflächenstruktur aufweist, die zur ersten eindimensionalen oder zweidimensionalen periodischen Oberflächenstruktur komplementär angeordnet ist und sich außerdem eine Elastomerfolie zwischen den beiden eindimensionalen o- der zweidimensionalen periodischen Oberflächenstrukturen befindet, die beim Ineinanderdrücken der beiden komplementär angeordneten eindimensionalen oder zweidimensionalen periodischen Oberflächenstrukturen gedehnt wird. Damit können besonders große Kapazitätssteigerungen bei der Kompression erreicht werden, wodurch der Deformationssensor eine hohe Messempfindlichkeit erhält.
Unabhängig davon ist auch eine Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, in der der kompressible Körper eine Porenstruktur aufweist. Das kann beispielsweise bedeuten, dass der Hohlraum mit einem Schaum gefüllt ist oder der kompressible Körper aus einem Schaum besteht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der kompressible Körper zumindest einen Deformationssensor mit zwei elektrischen Anschlüssen aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Deformationssensor als kapazitiver Deformationssensor ausgebildet, wobei der Deformationssensor zumindest zwei Elektroden aufweist, die im kompressiblen Körper angeordnet sind und mit jeweils einem der Anschlüsse elektrisch verbunden sind. Dabei kann der kompressible Körper weiter ein Dielektrikum aufweisen, das zwischen den zumindest zwei Elektroden angeordnet ist. Eine elektrische Kapazität zwischen den Elektroden kann daher durch eine Ausdehnung der Batteriezelle vergrößerbar und durch eine Kontraktion der Batteriezelle verkleinerbar sein. Es sind auch Ausgestaltungen möglich, in denen die elektrische Kapazität zwischen den Elektroden durch eine Ausdehnung der Batteriezelle verkleinerbar und durch eine Kontraktion der Batteriezelle vergrößerbar ist.
An dem kompressiblen Körper kann in einer solchen Ausgestaltung eine elektrische Kapazität gemessen werden. Hierzu enthält der kompressible Körper mindestens ein Dielektrikum und mindestens zwei Elektroden, wobei das Dielektrikum zwischen den Elektroden angeordnet ist. Bei der Kompression des kompressiblen Körpers verändert sich die Kapazität zwischen den Elektroden. Damit kann eine Ausdehnung der Batteriezelle detektiert werden. Bei dem kompressiblen Körper handelt es sich somit um einen kapazitiven Deformationssensor oder der kompressible Körper enthält einen kapazitiven Deformationssensor. In bevorzugten Ausführungsformen erhöht sich die Kapazität bei der Kompression des kompressiblen Körpers beispielsweise infolge der Ausdehnung der Batteriezelle. Bei der Kontraktion der Batteriezelle und der damit verbundenen Expansion des kompressiblen Körpers verringert sich die Kapazität dagegen. Möglich ist aber auch die Umkehrung, d. h. eine Verringerung der Kapazität bei der Kompression des kompressiblen Körpers infolge der Ausdehnung der Batteriezelle und eine Erhöhung der Kapazität bei der Expansion des kompressiblen Körpers infolge der Kontraktion der Batteriezelle.
Es ist weiter bevorzugt, dass der zumindest eine Deformationssensor zumindest drei Elektroden enthält, die zumindest teilweise parallel zueinander und/oder sich gegenüberliegend angeordnet sind und von denen die beiden äußeren Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind. Unter parallel sind in diesem Zusammenhang auch Anordnungen zu verstehen, bei denen die Elektroden jeweils Winkel von weniger als 45°, bevorzugt weniger als 15°, besonders bevorzugt weniger als 5° einschließen. Zwischen den Elektroden kann dabei jeweils ein Dielektrikum angeordnet sein. Die zwei Dielektrika und/oder die beiden äußeren Elektroden können in manchen Ausgestaltungsformen auch in einem Stück ausgebildet sein. Der kompressible Körper kann also auch mehr als ein Dielektrikum und mehr als zwei Elektroden enthalten. Bei zwei Dielektrika und drei Elektroden befinden sich die beiden Dielektrika bevorzugt zwischen den drei zumindest teilweise parallel zueinander angeordneten Elektroden, wobei die beiden äußeren Elektroden bei der Kapazitätsmessung auf Massepotential gelegt werden können. Damit kann das elektri- sehe Potential der inneren Elektrode gegen von außen eindringende elektrische Felder abgeschirmt werden. Durch die zwei Dielektrika zwischen den drei Elektroden wird außerdem die Kapazität gegenüber nur einem Dielektrikum etwa verdoppelt. Dies ist insbesondere bei kleinen Elektrodenflächen ein Vorteil, da die Kapazität genauer gemessen werden kann. Die Dielektrika des kompressiblen Körpers bestehen bevorzugt aus einem Elastomer oder enthalten ein Elastomer. Auch der mindestens eine Hohlraum kann Teil des Dielektrikums sein. Ebenso kann eine Schaumstruktur das Dielektrikum bilden oder Teil des Dielektrikums sein.
Bei der Kompression des kompressiblen Körpers nimmt das Volumen des Hohlraums ab. Damit erhöht sich die Permittivität des Dielektrikums, weil der Volumenanteil des luftgefüllten Hohlraums mit geringer Permittivität gegenüber dem Volumenanteil des Elastomers mit höherer Permittivität abnimmt. Dadurch kann sich beispielsweise die Kapazität zwischen den Elektroden verändern. Es ist ebenso möglich, dass sich die Elektroden bei einer Deformation des kompressiblen Körper ebenfalls verformen, wobei sich die Kapazität zwischen den Elektroden verändern kann.
Die Elektroden im kompressiblen Körper bestehen vorteilhafterweise zumindest teilweise oder vollständig aus einem Elastomer, das leitfähige Partikel enthält. Damit handelt es sich dabei um einen leitfähigen Elastomerkomposit. Die Konzentration der leitfähigen Partikel liegt vorzugsweise weit oberhalb der Perkolationsgrenze, dass auch bei einer starken Verformung des Elastomerkomposits die Leitfähigkeit erhalten bleibt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Deformationssensor als resistiver Deformationssensor ausgebildet, wobei der Deformationssensor mindestens ein elektrisch leitfähiges Teil aufweist, das im kompressiblen Körper angeordnet ist und derart mit den zwei Anschlüssen elektrisch verbunden ist, dass ein Widerstand zwischen den zwei Anschlüssen durch eine Ausdehnung der Batteriezelle verkleinerbar ist und durch eine Kontraktion der Batteriezelle vergrößerbar ist, oder durch eine Ausdehnung der Batteriezelle vergrößerbar ist und durch eine Kontraktion der Batteriezelle verkleinerbar ist. Vorteilhafterweise wird an dem kompressiblen Körper also ein elektrischer Widerstand gemessen. Hierzu enthält der kompressible Körper mindestens einen elektrisch leitfähigen Teil, der ein Elastomer mit elektrisch leitfähigen Partikeln enthält oder daraus besteht. Außerdem enthält der kompressible Körper mindestens einen Hohlraum. Bei der Kompression des kompressiblen Körpers verringert sich der elektrische Widerstand zwischen zwei elektrischen Anschlüssen am kompressiblen Körper. Diese Widerstandsänderung kann dadurch hervorgerufen werden, dass der elektrisch leitfähige Teil beispielsweise die Form eines Kegels aufweist, der bei der Kompression des kompressiblen Körpers verformt wird. Durch die damit verbundene Änderung der geometrischen Dimensionen ändert sich auch der elektrische Widerstand. Wenn etwa die Kegelspitze gestaucht wird, wird sie kürzer und breiter, wodurch der elektrische Widertand entlang der Kegelachse abnimmt. Mit dieser Anordnung des kompressiblen Körpers kann ebenfalls eine Ausdehnung der Batteriezelle detektiert werden. Bei dem kompressiblen Körper handelt sich hiermit um einen resistiven Deformationssensor oder der kompressible Körper enthält einen resistiven Deformationssensor. Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn die Kegelachse mit der Einspannrichtung an der Stelle des Kegels, also der Richtung, in die die Kraft des eingespannten Körpers an der Stelle des Kegels wirkt, übereinstimmt, oder um weniger als 45°, bevorzugt weniger als 20°, besonders bevorzugt weniger als 10° von der Einspannrichtung abweicht.
Es ist weiter bevorzugt, dass das mindestens eine Dielektrikum aus einem Elastomer gebildet ist, einen Hohlraum enthält oder aus dem Hohlraum besteht, und/oder zumindest eine der zumindest zwei Elektroden aus einem Elastomer mit leitfähigen Partikeln gebildet ist. Weiter sind vorteilhafte Ausgestaltungsformen des resistiven Deformationssensors möglich, in denen zumindest das elektrisch leitfähige Teil aus einem Elastomer mit leitfähigen Partikeln gebildet ist und/oder einen Hohlraum enthält und/oder aus einem Schaum besteht und/oder einen Schaum enthält.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest eine der zumindest zwei Elektroden oder das elektrisch leitfähige Teil flächig ausgebildet ist. Dabei kann zumindest eine der zumindest zwei Elektroden cider das elektrisch leitfähige Teil vorzugsweise im unbelasteten oder einge- spannten Zustand des kompressiblen Körpers gekrümmt sein, besonders bevorzugt mit einem Krümmungswinkel von mindestens 30° gekrümmt sein. Flächig ausgebildet kann bedeuten, dass sich die Elektrode oder das elektrisch leitfähige Teil in zumindest zwei Richtungen erstreckt, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhaft ist, wenn sich eine flächig ausgebildete Elektrode oder ein flächig ausgebildetes elektrisch leitfähiges Teil um mindestens 1 mm, besonders vorteilhaft um mindestens 3 mm, ganz besonders vorteilhaft um mindestens 5 mm in zumindest eine dieser Richtungen oder beide dieser Richtungen erstreckt.
Beim kapazitiven Deformationssensor ist es also vorteilhaft, wenn mindestens eine Elektrode eine flächige Form aufweist, bei der die Maße in zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Dimensionen jeweils mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 3 mm, besonders bevorzugt mindestens 5 mm betragen. Dabei ist außerdem bevorzugt, dass die mindestens eine flächige Elektrode nicht eben ist, sondern eine Krümmung aufweist, d. h. es handelt sich dabei nicht um einen einfachen Plattenkondensator. Die Krümmung sollte bevorzugt mindestens 30 Grad betragen.
Das Dielektrikum, die Elektroden und/oder das elektrisch leitfähige Teil können jeweils vorteilhafterweise ein Elastomer enthalten oder daraus bestehen. Ein Elastomer des Dielektrikums, zumindest einer der Elektroden und/oder des elektrisch leitfähigen Teils kann jeweils vorteilhafterweise Silicon, Fluorsilicon, Polyurethan (PUR), Polynorbornen, Naturkautschuk (NR), Styrol-Butadien (SBR), Isobutylen-Isopren (II R), Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM/EPM), Poly-Chlorbutadien (CR), Chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM), Acrylnitril-Butadien (NBR), Hydriertes Acrylnitril-Butadien (HNBR), einen Fluorkautschuk wie beispielsweise Viton, ein thermoplastisches Elastomer wie beispielsweise thermoplastische Styrol-Copolymere (Styrol-Butadien-Styrol- (SBS- ), Styrol-Ethylen-Butadien-Styrol- (SEBS-), Styrol-Ethylen-Propylen-Styrol- (SEPS-), Styrol-Ethylen-Ethylen-Propylen-Styrol- (SEEPS-) oder Styrol-Isopren- Styrol- (SIS-) Copolymer), teilvernetzte Blends auf Polyolefin-Basis (aus Ethy- len-Propylen-Dien-Kautschuk und Polypropylen (EPDM/PP), aus Nitril-Buta- dien-Kautschuk und Polypropylen (NBR/PP) oder aus Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk und Polyethylen(EPDM/PE)) oder thermoplastische Urethan-Copo- lymere (aromatisches Hartsegment und Ester-Weichsegment (TPU-ARES), aromatisches Hartsegment und Ether-Weichsegment (TPU-ARET) oder aromatisches Hartsegment und Ester/Ether-Weichsegment (TPU-AREE) enthalten cider daraus bestehen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Dielektrikum ein Elastomer aufweist, das elektrisch polarisierbare Partikel wie Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat oder Titandioxid und/oder elektrisch leitfähige Partikel aus Kohlenstoff wie beispielsweise Ruß, Graphit, Graphen oder Carbon Nanotubes, Metalle wie beispielsweise Eisen, Kupfer, Silber oder Gold oder leitfähige Polymere wie Polyanilin, Polyacetylen, Polypyrrol, Polyparaphenylen oder Polythiophen oder eine organische Modifizierung zur Erhöhung der Permittivität enthält.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn zumindest eine der Elektroden oder das elektrisch leitfähige Teil leitfähige Partikel aus Kohlenstoff wie beispielsweise Ruß, Graphit, Graphen oder Carbon Nanotubes, Metalle wie beispielsweise Eisen, Kupfer, Silber oder Gold oder leitfähige Polymere wie Polyanilin, Polyacetylen, Polypyrrol, Polyparaphenylen oder Polythiophen enthalten.
Die leitfähigen Partikel in den Elektroden und/oder im elektrisch leitfähigen Teil des kompressiblen Körpers sind vorteilhafterweise aus der folgenden Liste ausgewählt: Kohlenstoff-Partikel wie Ruß, Graphit, Graphen, Carbon Nanotubes, Metallpartikel aus Kupfer, Silber, Gold oder Eisen, Silber Nanowires, mit Metall beschichtete Kohlenstoff-Partikel oder leitfähige Polymere wie Polyanilin, Polyacetylen, Polypyrrol, Polyparaphenylen oder Polythiophen.
In manchen vorteilhaften Ausgestaltungsformen kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine kompressible Körper zwei oder mehr Deformationssensoren aufweist, die jeweils an unterschiedlichen Stellen des kompressiblen Körpers angeordnet sind.
Es kann also vorgesehen sein, dass der kompressible Körper mehr als einen Deformationssensor enthält. Dabei kann zumindest einer der Deformationssensoren als kapazitiver Deformationssensor oder als resistiver Deformationssensor ausgebildet sein. Im Fall von zwei kapazitiven Deformationssensoren enthält der kompressible Körper mehr als eine Kombination aus Dielektri- kum/Dielektrika und Elektroden, an der beispielsweise über separate Anschlüsse jeweils die Kapazität gemessen werden kann. Im Fall von zwei resisti- ven Deformationssensoren enthält der kompressible Körper mehr als einen leitfähigen Teil, an dem über separate Anschlüsse jeweils der elektrische Widerstand gemessen werden kann. Es sind ebenso Ausgestaltungsformen möglich, in denen ein kompressibler Körper zumindest einen resistiven Deformationssensor und einen oder mehrere kapazitive Deformationssensoren aufweist oder in denen der kompressible Körper zumindest einen kapazitiven Deformationssensor und einen oder mehrere resistive Deformationssensoren aufweist.
Unabhängig von der Ausgestaltung der Deformationssensoren, lässt eine Ausgestaltungsform eines kompressiblen Körpers mit mehreren Deformationssensoren zu, dass sich mit nur einem kompressiblen Körper die Ausdehnung und die Kontraktion der Batteriezelle an verschiedenen Stellen messen lässt. Dabei kann der kompressible Körper die Form einer flächigen Matte haben, bei der die Deformationssensoren über die Fläche verteilt sind. Die Anordnung der Deformationssensoren über die Fläche der Matte kann die Form einer eindimensionalen Reihe oder eines zweidimensionalen Arrays haben, doch sind auch unregelmäßige Anordnungen der Deformationssensoren auf der Matte möglich. Bevorzugt wird dabei, dass die mechanische Steifigkeit einer solchen Sensormatte, die durch den zu einer bestimmten lokalen Kompression notwendigen lokalen Druck bestimmt wird, an allen Stellen der Matte nahezu gleich ist. Das bedeutet, dass die Steifigkeit an den Stellen, an denen sich ein Deformationssensor befindet, vergleichbar mit der Steifigkeit an den Stellen ist, an denen sich kein Deformationssensor befindet und vorteil hafterweise um weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 20 %, besonders bevorzugt um weniger als 10 % davon abweicht. Damit kann der Druck, den die Sensormatte als Vorspannfeder auf die Batteriezelle ausübt, an verschiedenen Stellen der Kontaktfläche der Batteriezelle etwa gleich sein und vorteilhafterweise um weniger als 50 %, bevorzugt weniger als 20 %, besonders bevorzugt um weniger als 10 % voneinander abweichen. Auch bei einem Array von Sensoren, also mehreren Deformationssensoren, die örtlich verteilt sind, welche in den kompressiblen Körper integriert werden, weist dieses über die Oberfläche eine nahezu gleichmäßige Steifigkeit auf, wodurch eine homogene Druckverteilung auf die Batteriezelle wirkt.
Vorzugsweise weist das Batteriesystem zumindest zwei kompressible Körper auf, die jeweils als Deformationssensor verwendbar sind. Damit steht mehr als ein Deformationssensor zur Verfügung. In diesem Fall lässt sich die Ausdehnung und die Kontraktion der Batteriezelle an verschiedenen Stellen messen. Auf diese Weise kann man Informationen über die Inhomogenität der Ausdehnung erhalten, d. h. man kann beispielsweise feststellen, an welcher Stelle sich die Batteriezelle besonders stark ausdehnt.
Vorzugsweise weist das Batteriesystem zumindest zwei Batteriezellen und zumindest zwei kompressible Körper auf. Es ist bevorzugt, dass genau ein kom- pressibler Körper zwischen zwei Batteriezellen angeordnet ist. Außerdem ist es bevorzugt, dass zwischen jeweils zwei Batteriezellen ein kompressibler Körper angeordnet ist und/oder sich besonders bevorzugt zwischen jeweils zwei Batteriezellen mit jeweils einem kompressiblen Körper eine starre Wand der Haltevorrichtung angeordnet ist. Die kompressiblen Körper können alternierend zwischen den Zellen angeordnet sein. Sofern die einzelnen Batteriezellen mechanisch voneinander entkoppelt sind, beispielsweise durch ein starres und steifes Gehäuse oder eine starre Wand der Haltevorrichtung, lässt sich mit dem kompressiblen Körper und der dort integrierten Sensorik die Ausdehnung und Kontraktion dieser einen spezifischen Batteriezelle erfassen. Sind diese Batteriezellen in Form einer mechanischen Reihenschaltung hintereinander angeordnet und ebenfalls jeweils durch einen kompressiblen Körper voneinander getrennt, so könnte auch nur einer der kompressiblen Körper als Deformationssensor fungieren, also einen Deformationssensor aufweisen, und die kumulierte Ausdehnung und Kontraktion von mehreren Zellen erfassen, was eine deutliche Kosteneinsparung bei nur leicht eingeschränkter Reduktion an Zellinformationen zur Folge hätte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Batteriesystems wird vorgesehen, dass der kompressible Körper einen Temperatursensor, einen Ultraschallsensor, einen Drucksensor, einen elektrischen Sensor und/oder einen Impedanzsensor aufweist. Ein leistungsfähiges Batterie-Management benötigt Daten zu verschiedenen Eigenschaften der Batterie. Um dem gerecht zu werden, kann das Batteriesystem weitere Sensoren enthalten. Dies betrifft insbesondere einen Temperatursensor, aber auch andere Sensoren wie beispielsweise Ultraschallsensoren oder elektrische Sensoren wie z. B. Strom-, Span- nungs- oder Impedanzsensoren können Bestandteil des erfindungsgemäßen Batteriesystems sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Batteriesystems weist das Batteriesystem eine Elektronik auf, die dazu eingerichtet ist, zumindest einen Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen des Deformationssensors und/oder eine Kapazität zwischen den beiden Anschlüssen des Deformationssensors zu messen. Außerdem kann das Batteriesystem also eine Elektronik zur Messung der elektrischen Kapazität oder des elektrischen Widerstandes des kompressiblen Körpers aufweisen. Die Elektronik enthält bevorzugt einen Mikroprozessor. Zur Bestimmung der elektrischen Kapazität oder des elektrischen Widerstandes können bekannte Messverfahren eingesetzt werden.
In den kompressiblen Körper können noch weitere Funktionsschichten integriert werden, die auf Basis eines Elastomerkomposits bestehen. Es können flammschützende oder flammhemmende Additive oder aber auch keramifizie- rende Partikel in das Elastomer eingearbeitet werden, die im Falle des thermischen Durchbrennens einer Batteriezelle den thermischen Übertrag von einer Zelle auf die benachbarte Zelle verhindern bzw. verzögern, sodass es nicht bzw. verzögert zu einer thermischen Kettenreaktion des gesamten Batteriemoduls, einem sogenannten „thermal runaway", kommt. Es können auch thermisch leitfähige Partikel eingearbeitet werden, um die thermische Energie während des Betriebes gezielt in Richtung Modulboden abzutransportieren. Ebenfalls können auch thermisch schaltbare Partikel eingearbeitet werden, die im Betriebsfall eine gute Wärmeableitung und im thermischen Schadensfall eine schlechte Wärmeableitung (Wärmeisolation zwischen den einzelnen Zellen) ermöglicht. Ein solcher thermischer Schadensfall kann durch die zusätzlich integrierten Temperatursensoren detektiert werden, damit dienen diese als Triggersignale für die Schaltung der Wärmeleitfähigkeit.
In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung erfährt der kompressible Kör- per beim Vorspannen eine Dimensionsänderung in Einspannrichtung um mindestens 0,1% und maximal 99%, bevorzugt mindestens 0,5 % und maximal 95%, besonders bevorzugt mindestens 1 % und maximal 90%. Beim Vorspannen wird der kompressible Körper komprimiert. Die Länge des kompressiblen Körpers in Einspannrichtung wird durch das Vorspannen also verkürzt, insbesondere um mindestens 0,1% und maximal 99%, bevorzugt um mindestens 0,5 % und maximal 95%, besonders bevorzugt um mindestens 1 % und maximal 90% verkürzt.
Der kompressible Körper verhält sich wie eine Feder, die durch die Vorspannung im eingespannten Zustand gestaucht wird. Damit der in dem kompressiblen Körper enthaltene Deformationssensor eine hohe Messempfindlichkeit aufweist, sollte die Kennlinie des kompressiblen Körpers, die den auf den kompressiblen Körper wirkenden Druck in Abhängigkeit von der Kompression des kompressiblen Körpers wiedergibt, eine geringe Steigung aufweisen. Eine übliche Kompressionsfeder zeigt in der Regel eine zunehmende Steigung der Druck-Kompressions-Kennlinie mit zunehmender Kompression. Die Druck- Kompressions-Kennlinie des kompressiblen Körpers hat eine anfängliche Steigung, die durch den Quotienten aus der Vorspannung und der sich damit einstellenden Kompression (Vorspannkompression) gebildet wird. Vorteilhaft ist es, wenn die Steigung der Druck-Kompressions-Kennlinie des kompressiblen Körpers im anschließenden Kompressionsbereich zwischen der Vorspannkompression und dem doppelten Wert der Vorspannkompression maximal den doppelten Wert der Anfangssteigung einnimmt.
Der kompressible Körper kann erfindungsgemäß als Vorspannvorrichtung zur Ausübung eines Drucks auf die Batteriezelle und/oder als Deformationssensor zur Erfassung der Ausdehnung und/oder Kontraktion der Batteriezelle verwendet werden.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sollen nachstehend anhand von 13 Figuren schematisch visualisiert werden. Die Figuren dienen dabei als beispielshafte Darstellungen und der Schutzbereich der Anmeldung ist nicht bloß auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, auch Kombinationen einzelner Merkmale verschiedener Ausführungsformen sind denkbar. Als Beispiel seien hier genannt die Nutzung mehrerer kompressibler Körper unterschiedliche Ausführungsformen in einem einzigen Batteriesystem, oder mehrere jeweils unterschiedliche ausgebildete Deformationssensoren in einem einzigen kompressiblen Körper.
Es zeigt:
Fig. 1 Die einzelnen Komponenten einer ersten Ausführungsform eines Batteriesystems.
Fig. 2 Die einzelnen Komponenten einer weiteren Ausführungsform eines Batteriesystems.
Fig. 3 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 4 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 5 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 6 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 7 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 8 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 9 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 10 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle. Fig. 11 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 12 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems in Schnittansicht und in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen der Batteriezelle.
Fig. 13 Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems mit gekrümmten Oberflächen.
Figur 1 zeigt die Komponenten eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 in separierter Form: die Haltevorrichtung 4, die Batteriezelle 2 und den kom- pressiblen Körper 3 mit einem kapazitiven Deformationssensor 5. Der kom- pressible Körper ist in seiner Grundform im unkomprimierten, also unbelasteten Zustand (Figur lc) sowie in der zur Vorspannung der Batteriezelle erzeugten Kompression (Figur ld), in einer stärkeren (Figur le) und in einer nahezu vollständigen Kompression (Figur lf) dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform steigt mit zunehmender Kompression des kapazitiven Deformationssensors die messbare elektrische Kapazität vom Anfangswert Co im unbelasteten Zustand über die Werte Ci und C2 bis auf C3 bei nahezu vollständiger Kompression.
Figur la zeigt die Haltevorrichtung 4, in der die Batteriezelle 2 gemeinsam mit dem kompressiblen Körper 3 eingespannt werden kann. Die Batteriezelle ist in Figur lb dargestellt, und der kompressible Körper in verschieden stark komprimierten Zuständen ist in den Figuren lc, d, e und f dargestellt. Figur lc zeigt den kompressiblen Körper 3 beispielhaft im unbelasteten Zustand, also in einem Zustand, in dem keine externen Kräfte auf den kompressiblen Körper einwirken, die zu seiner Deformation führen können. Der kompressible Körper 3 weist einen Hohlraum 31 auf, der in der dargestellten Ausführungsform durch einen ersten Wandabschnitt 32 und einen zweiten Wandabschnitt 33 begrenzt ist. Die beiden Wandabschnitte 32 und 33 weisen eine sich räumlich wiederholende, also periodische, Oberflächenstruktur auf. Der zweite Wandabschnitt 33 ist dabei derart ausgebildet, dass er in den ersten Wandabschnitt 33 eingreifen kann, wenn der kompressible Körper komprimiert wird, siehe beispielsweise die Figuren ld, le und lf. Weiter weist der kompressible Körper in der Ausführungsform der Figur lc-lf zwei Anschlüsse 51, 52 auf, die jeweils mit einer Elektrode 53, 54 elektrisch verbunden sind. Die beiden Elektroden 53, 54 sind im kompressiblen Körper 3 angeordnet. In der hier dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden 53,
54 im Hohlraum 31 des kompressiblen Körpers 3 angeordnet. Zwischen den Elektroden 54, 54 ist ein Dielektrikum 55 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist das Dielektrikum 55 aus einem Elastomer gebildet. Es sind allerdings auch Ausführungsformen möglich, in denen das Dielektrikum
55 aus einem Elastomer mit Hohlräumen, also beispielsweise einem porösen Schaum gebildet ist. Unabhängig davon sind Ausführungsformen möglich, in denen das Dielektrikum 55 aus dem gesamten Hohlraum 31 oder einem Bereich des Hohlraums 31 gebildet ist, und lediglich ein Gas, beispielsweise Luft, enthält.
Figur 2 zeigt die Komponenten einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 in separierter Form: die Haltevorrichtung 4, die Batteriezelle 2 und den kompressiblen Körper 3 mit einem resistiven Deformationssensor 5. Der kompressible Körper 3 ist in seiner Grundform im unbelasteten Zustand (Figur 2c) sowie in der zur Vorspannung der Batteriezelle 2 erzeugten Kompression (Figur 2d), in einer stärkeren (Figur 2e) und in einer nahezu vollständigen Kompression (Figur 2f) dargestellt. Mit zunehmender Kompression des resistiven Deformationssensors fällt in der dargestellten Ausführungsform der messbare elektrische Widerstand vom Anfangswert Ro im unbelasteten Zustand über die Werte Ri und R2 bis auf R3 bei nahezu vollständiger Kompression.
Figur 2c zeigt einen kompressiblen Körper 3 mit einem resistiven Deformationssensor 5, der ein elektrisch leitfähiges Teil 56, 58 aufweist. Das elektrisch leitfähige Teil ist mit zwei Anschlüssen 51, 52 elektrisch verbunden. Bei einer Kompression des elektrisch leitfähigen Teils 56, 58 ändert sich der elektrische Widerstand zwischen zwei Enden des elektrisch leitfähigen Teils 56, 58, wobei das erste Ende des elektrisch leitfähigen Teils 56 mit einem ersten der Anschlüsse 51, 52 verbunden ist und das zweite Ende des elektrisch leitfähigen Teils 58 mit dem zweiten der Anschlüsse 51, 52 verbunden ist. Das elektrisch leitfähige Teil weist in der dargestellten Ausführungsform kegelförmige Kontaktelemente auf. Die kegelförmigen Kontaktelemente schaffen eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des elektrisch leitfähigen Teils 56, 58. Die kegelförmigen Kontaktelemente können bei der Kompression des kompressiblen Körpers verformt werden, siehe beispielsweise die Figuren 2d, e, f. Durch die damit verbundene Änderung der geometrischen Dimensionen ändert sich auch der elektrische Widerstand: Wenn etwa die Kegelspitze des Kontaktelements in der Ausführungsform der Figur 2 gestaucht wird, wird sie kürzer und breiter, wodurch der elektrische Widertand entlang der Kegelachse, die in dieser Ausführungsform parallel zur Einspannrichtung ist, abnimmt. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf elektrisch leitfähige Teile 56, 58 mit kegelförmigen Kontaktelementen. Diese Kontaktelemente können beispielsweise auch Rippen-, oder Noppenförmig oder unregelmäßig strukturiert sein. Weiter sind andere Ausgestaltungen des elektrisch leitfähigen Teils 56, 58 möglich, solange sich der Widerstand zwischen zwei Enden des elektrisch leitfähigen Teils 56, 58 bei einer Kompression und/oder Dekompression des elektrisch leitfähigen Teils 56, 58 ändern kann.
1. Ausführungsbeispiel
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Der kompressible Körper 3 weist einen kapazitiven Deformationssensor 5 auf. Der kompressible Körper 3 weist zwei Elastomerfolien mit zueinander komplementär ausgerichteten Profilen auf, die den ersten Wandabschnitt 32 und den zweiten Wandabschnitt 33 bilden und den Hohlraum 31 begrenzen. Weiter weist der kompressible Körper ein als unprofilierte Elastomerfolie 59 ausgebildetes Dielektrikum 55 mit zwei Elektroden 53,
54 auf, wobei die Elektroden 53 und 54 auf beiden Seiten des Dielektrikums
55 zwischen den Profilen angeordnet sind. Bei der Kompression des Deformationssensors 5 greifen die Profile, bzw. der erste Wandabschnitt 32 und der zweite Wandabschnitt 33 zunehmend ineinander und dehnen dabei die als Dielektrikum 55 dienende Elastomerfolie 59, wodurch sich die elektrische Kapazität zwischen den Elektroden 53, 54 erhöht. Die Elektroden 53, 54 sind jeweils elektrisch mit einem der Anschlüsse 51, 52 verbunden. Die elastische Dehnung der Elastomerfolie 59 bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung des kompressiblen Körpers 3. Dargestellt sind der Gleichgewichtszustand der Kompression des kompressiblen Körpers 3 durch die mechanische Vorspannung der Batteriezelle 2, ein stärker komprimierter Zustand durch die Ausdehnung der Batteriezelle 2 im laufenden Betrieb wie z. B. beim Laden sowie ein Zustand starker Kompression durch eine extreme Ausdehnung der Batteriezelle 2.
2. Ausführungsbeispiel
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Batteriesystem 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Der kompressible Körper 1 weist einen kapazitiven Deformationssensor 5 auf. Der kompressible Körper 3 weist zwei Elastomerfolien mit zueinander komplementär ausgerichteten Profilen auf, die den ersten Wandabschnitt 32 und den zweiten Wandabschnitt 33 bilden und den Hohlraum 31 begrenzen. Weiter weist der kompressible Körper ein als unprofilierte Elastomerfolie 59 ausgebildetes Dielektrikum 55 mit drei Elektroden 53, 54, 57 auf, wobei zwei der Elektroden 53 und 57 auf beiden Seiten der Elastomerfolie 59 und eine der Elektroden 54 im Inneren der Elastomerefolie 59 angeordnet ist. Das Dielektrikum 55 bzw. die Elastomerfolie 59 ist gemeinsam mit den Elektroden 53, 54, 57 zwischen den Profilen angeordnet. Die beiden äußeren Elektroden 53, 57 der drei Elektroden 53, 54, 57 sind beide elektrisch mit einem der Anschlüsse 51 verbunden. Die innere Elektrode 54 ist elektrisch mit dem anderen Anschluss 52 verbunden. Bei der Kompression des Deformationssensors 5 greifen die Profile zunehmend ineinander und dehnen dabei das Dielektrikum 55, wodurch sich die elektrische Kapazität zwischen den Elektrodenschichten 53, 54, 57 erhöht. Dabei können die beiden äußeren Elektroden 53, 57 auf der Elastomerfolie 59 auf Massepo- tential gesetzt werden, wodurch die innere Elektrode 54 gegen äußere elektrische Felder abgeschirmt werden kann. Die elastische Dehnung der Elastomerfolie 59 bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung des Deformationssensors 5. Dargestellt sind der Gleichgewichtszustand der Kompression des kompressiblen Körpers 3 durch die mechanische Vorspannung der Batteriezelle 2, ein stärker komprimierter Zustand durch die Ausdehnung der Batteriezelle 2 im laufenden Betrieb wie z. B. beim Laden sowie ein Zustand starker Kompression durch eine extreme Ausdehnung der Batteriezelle 2. 3. Ausführungsbespiel
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses.. Der kompressible Körper 3 weist einen kapazitiven Deformationssensor 5 auf. Der kompressible Körper 3 weist zwei Elastomerfolien mit zueinander komplementär ausgerichteten Profilen auf, die den ersten Wandabschnitt 32 und den zweiten Wandabschnitt 33 bilden und den Hohlraum 31 begrenzen. Die Elektroden 53, 54 des kapazitiven Deformationssensors 5 sind in diesem Ausführungsbeispiels als Elektrodenschichten auf den Oberflächen der beiden Profile, also dem ersten Wandabschnitt 32 und dem zweiten Wandabschnitt 33, ausgebildet. Weiter weist der kompressible Körper ein Dielektrikum 55 auf, das sowohl eine unprofilierte Elastomerfolie 59 aufweist, als auch zumindest teilweise aus dem Hohlraum 31 gebildet ist. Bei der Kompression des Deformationssensors 5 greifen die Profile zunehmend ineinander und dehnen dabei die Elastomerfolie 59. Durch die dabei erfolgende Annäherung der Elektrodenschichten 53, 54 auf den Profilen erhöht sich die elektrische Kapazität zwischen den Elektrodenschichten 53, 54. Die elastische Dehnung der Elastomerfolie 59 bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung des kompressiblen Körpers 3. Dargestellt sind der Gleichgewichtszustand der Kompression des kompressiblen Körpers 3 durch die mechanische Vorspannung der Batteriezelle 2, ein stärker komprimierter Zustand durch die Ausdehnung der Batteriezelle 2 im laufenden Betrieb wie z. B. beim Laden sowie ein Zustand starker Kompression durch eine extreme Ausdehnung der Batteriezelle 2.
4. Ausführungsbeispiel
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Der kompressible Körper 3 weist einen kapazitiven Deformationssensor 5 auf. Der kompressible Körper 3 weist zwei Elastomerfolien mit zueinander komplementär ausgerichteten Profilen auf, die den ersten Wandabschnitt 32 und den zweiten Wandabschnitt 33 bilden und den Hohlraum 31 begrenzen. Die Elektroden 53, 57 des kapazitiven Deformationssensors 5 sind in diesem Ausführungsbeispiels als Elektro- denschichten auf den Oberflächen der beiden Profile, also dem ersten Wandabschnitt 32 und dem zweiten Wandabschnitt 33, ausgebildet. Weiter weist der kompressible Körper ein Dielektrikum 55 auf, das sowohl eine unprofilierte Elastomerfolie 59 aufweist, als auch zumindest teilweise aus dem Hohlraum 31 gebildet ist. Die Elastomerfolie 59 weist eine dritte Elektrode 54 auf, die als Elektrodenschicht im Innern der Elastomerfolie 59 angeordnet ist. Die beiden als Elektrodenschichten auf den Oberflächen der Profile ausgebildeten Elektroden 53, 57 sind beide elektrisch mit einem der Anschlüsse 51 verbunden, während die Elektrode 54 im Innern der Elastomerfolie 59 mit dem anderen Anschluss 52 elektrisch verbunden ist. Bei der Kompression des kompres- siblen Körpers 3 greifen die Profile zunehmend ineinander und dehnen dabei die Elastomerfolie 59. Durch die dabei erfolgende Annäherung der Elektroden 53, 57 auf den Profilen und der Elektrode 54 in der Elastomerfolie 59 erhöht sich die elektrische Kapazität zwischen den Elektrodenschichten. Dabei können die beiden äußeren Elektroden 53, 57 auf den Profiloberflächen auf Mas- sepotential gesetzt werden, wodurch die innere Elektrode 54 gegen äußere elektrische Felder abgeschirmt wird. Die elastische Dehnung der Elastomerfolie 59 bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung des kompressib- len Körpers 3. Dargestellt sind der Gleichgewichtszustand der Kompression des kompressiblen Körpers 3 durch die mechanische Vorspannung der Batteriezelle 2, ein stärker komprimierter Zustand durch die Ausdehnung der Batteriezelle 2 im laufenden Betrieb wie z. B. beim Laden sowie ein Zustand starker Kompression durch eine extreme Ausdehnung der Batteriezelle 2.
5. Ausführungsbeispiel
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Der kompressible Körper 3 weist in dieser Ausführungsform einen resistiven Deformationssensor 5 auf. Der resistive Deformationssensor 5 weist zwei Anschlüsse 51,52 und ein elektrisch leitfähiges Teil 56, 58 auf. Die Anschlüsse sind jeweils mit einer Seite des elektrisch leitfähigen Teils 56, 58 elektrisch verbunden. Das elektrisch leitfähige Teil 56, 58 weist in der dargestellten Ausführungsform auf der einen Seite eine Elastomerfolie mit einem Profil 58 auf, und auf der anderen Seite eine unprofilierte Elastomerfolie 56 auf. Das Profil der einen Elastomerfolie 58 enthält mehrere kegelförmige Kontaktspitzen. Beide Elastomerfolien 56, 58 sind elektrisch leitfähig, wodurch beispielsweise beim Anschluss der beiden Folien 56, 58 über die Anschlüsse 51, 52 an eine elektrische Spannungsquelle ein elektrischer Widerstand gemessen werden kann. Bei der Kompression des kompressiblen Körpers 3 werden die Kontaktspitzen der Elastomerfolie 58 zunehmend gestaucht, wodurch sich der elektrische Widerstand zwischen den elektrischen Anschlüssen 51, 52 des Deformationssensors 5 verringert. Die elastische Stauchung des Profils bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung des kompressiblen Körpers 3. Dargestellt sind der Gleichgewichtszustand der Kompression des kompressiblen Körpers 3 durch die mechanische Vorspannung der Batteriezelle 2, ein stärker komprimierter Zustand durch die Ausdehnung der Batteriezelle 2 im laufenden Betrieb wie z. B. beim Laden sowie ein Zustand starker Kompression durch eine extreme Ausdehnung der Batteriezelle 2.
6. Ausführungsbeispiel
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und zwei kompressiblen Körpern 3a, 3b in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Die kompressiblen Körper 3a, 3b können kapazitive oder resistive Deformationssensoren 5a, 5b aufweisen. Bei der Ausdehnung der Batteriezelle werden die Deformationssensoren 5a, 5b zunehmend komprimiert, wodurch sich die elektrischen Kapazitäten zwischen den Elektroden der kapazitiven Deformationssensoren erhöhen bzw. die elektrischen Widerstände zwischen den elektrischen Anschlüssen der re- sistiven Deformationssensoren verringern. Die elastische Verformung der kompressiblen Körper 3a, 3b bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung der kompressiblen Körper 3a, 3b. Dargestellt sind der Gleichgewichtszustand der Kompression der kompressiblen Körper 3a, 3b durch die mechanische Vorspannung der Batteriezelle 2, ein stärker komprimierter Zustand durch die Ausdehnung der Batteriezelle 2 im laufenden Betrieb wie z. B. beim Laden sowie ein Zustand starker Kompression durch eine extreme Ausdehnung der Batteriezelle 2. Durch die Deformationssensoren 5a, 5b kann die Verformung der Batteriezelle 2 an verschiedenen Stellen der Batteriezelle 2 gemessen werden. Damit lässt sich beispielsweise auch eine ungleichmäßige Verformung der Batteriezelle 2 feststellen. Es sind selbstverständlich auch Ausführungsformen möglich, in denen ein kompressibler Körper 3a einen re- sistiven Deformationssensor 5a und der andere kompressible Körper 3b einen kapazitiven Deformationssensor 5b aufweist. Weiter sind Ausführungsformen denkbar in denen lediglich einer der zwei kompressiblen Körper 3a einen Deformationssensor 5a aufweist.
7. Ausführungsbeispiel
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Der kompressible Körper 3 enthält in dieser Ausführungsform zwei Deformationssensoren 5a, 5b. Bei der Ausdehnung der Batteriezelle 2 werden die Deformationssensoren 5a, 5b zunehmend komprimiert, wodurch sich die elektrischen Kapazitäten zwischen den Elektroden der kapazitiven Deformationssensoren erhöhen bzw. die elektrischen Widerstände zwischen den elektrischen Anschlüssen der resisti- ven Deformationssensoren verringern können. Die elastische Verformung des kompressiblen Körpers 3 bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung des kompressiblen Körpers 3. Dargestellt sind der Gleichgewichtszustand der Kompression des kompressiblen Körpers 3 durch die mechanische Vorspannung der Batteriezelle 2, ein stärker komprimierter Zustand durch die Ausdehnung der Batteriezelle 2 im laufenden Betrieb wie z. B. beim Laden sowie ein Zustand starker Kompression durch eine extreme Ausdehnung der Batteriezelle 2. Durch die kapazitiven und/oder resistiven Deformationssensoren 5a, 5b im kompressiblen Körper 3 kann die Verformung der Batteriezelle 2 an verschiedenen Positionen gemessen werden. Damit lässt sich auch eine ungleichmäßige Verformung der Batteriezelle 2 feststellen. Da die Deformationssensoren 5a, 5b hier Bestandteil eines kompressiblen Körpers 3 sind, wird außerdem sichergestellt, dass über der Fläche des kompressiblen Körpers ein annähernd gleicher Druck auf die Batteriezelle ausgeübt wird.
8. Ausführungsbeispiel
Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit drei Batteriezellen 2a, 2b, 2c und drei kompressiblen Körpern 3a, 3b, 3c in einer alternierenden Reihenfolge in einer gemeinsamen Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Einer der kompressiblen Körper 3a enthält zwei Deformationssensoren 5a, 5b. Bei der Ausdehnung der Batteriezellen 2a, 2b, 2c werden die drei kompressiblen Körper 3a, 3b, 3c zunehmend komprimiert. Bei den zwei Deformationssensoren 5a, 5b im kompressiblen Körper 3a erhöhen sich die elektrischen Kapazitäten zwischen den Elektroden im Fall von kapazitiven Deformationssensoren bzw. verringern sich die elektrischen Widerstände zwischen den elektrischen Anschlüssen im Fall von resistiven Deformationssensoren. Die elastische Verformung der kompressiblen Körper 3a, 3b, 3c bewirkt außerdem deren Rückstellung bei der Entlastung, beispielsweise durch Kontraktion der Batteriezellen 2a, 2b, 2c. Die zwei Deformationssensoren 5a, 5b des einen kompressiblen Körpers können eine gemittelte Ausdehnung bzw. Kontraktion der drei Batteriezellen 2a, 2b, 2c erfassen. Dargestellt ist hier nur der Gleichgewichtszustand der Kompression, der drei kompressiblen Körper 3a, 3b, 3c durch die mechanische Vorspannung der drei Batteriezellen 2a, 2b, 2c.
9. Ausführungsbeispiel
Figur 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit drei Batteriezellen 2a, 2b, 2c und drei kompressiblen Körpern 3a, 3b, 3c in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. Die kompressiblen Körper 3a, 3b, 3c enthalten jeweils zwei Deformationssensoren 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, die beispielsweise von kapazitiven oder resistiven Deformationssensoren gebildet werden können. Zwischen jeweils zwei Batteriezellen 2a, 2b, 2c mit jeweils einem kompressiblen Körper 3a, 3b, 3c befindet sich eine starre Wand 41a, 41b. Damit befindet sich jede der drei Anordnungen aus einer Batteriezelle 2a, 2b, 2c und einem kompressiblen Körper 3a, 3b 3c in einem separaten Gehäuse. Damit nimmt der kompressible Körper 3a, 3b, 3c in einem Gehäuse jeweils die Verformung der zugehörigen Batteriezelle 2a, 2b, 2c auf und wird nicht durch andere Batteriezellen 2a, 2b, 2c oder andere kompressible Körper 3a, 3b, 3c beeinflusst. Bei der Ausdehnung einer Batteriezelle 2a, 2b, 2c werden die zum anliegenden kompressiblen Körper 3a, 3b, 3c gehörenden Deformationssensoren (5a, 5b), (5c, 5d), (5e, 5f) zunehmend komprimiert, wodurch sich die elektrischen Kapazitäten zwischen den Elektroden der kapazitiven Deformationssensoren erhöhen bzw. die elektrischen Widerstände zwischen den elektrischen Anschlüssen der resistiven Deformationssensoren verringern können. Die elastische Verformung der kompressiblen Körper 3a, 3b, 3c bewirkt außerdem deren Rückstellung bei der Entlastung, beispielsweise durch Kontraktion der jeweiligen Batteriezelle 2a, 2b, 2c. Dargestellt ist in Figur 11 nur der Gleichgewichtszustand der Kompression der drei kompressiblen Körper 3a, 3b 3c durch die mechanische Vorspannung der drei Batteriezellen2a, 2b, 2c.
10. Ausführungsbeispiel
Figur 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses in einer Ansicht, bei der sich die Batteriezelle 2 hinter dem kompressiblen Körper 3 befindet. Der kompres- sible Körper 3 enthält insgesamt zwölf Deformationssensoren 5a, 5b,..., die in Form einer 3x4-Matrix angeordnet sind und beispielsweise aus kapazitiven cider resistiven Deformationssensoren gebildet werden können. Bei der Ausdehnung der Batteriezelle 2 werden die Deformationssensoren 5a, 5b,... zunehmend komprimiert, wodurch sich die elektrischen Kapazitäten zwischen den Elektroden der kapazitiven Deformationssensoren erhöhen bzw. die elektrischen Widerstände zwischen den elektrischen Anschlüssen der resistiven Deformationssensoren verringern. Die elastische Verformung des kompressiblen Körpers 3 bewirkt außerdem die Rückstellung bei der Entlastung des kompressiblen Körpers 3. Durch die zwölf kapazitiven oder resistiven Deformationssensoren 5a, 5b,... kann die Verformung der Batteriezelle 2 an verschiedenen Positionen ortsaufgelöst gemessen werden. Damit lässt sich auch eine ungleichmäßige Verformung der Batteriezelle 2 mit hoher Genauigkeit feststellen. Da die Deformationssensoren 5a, 5b,... hier Bestandteil eines kompressiblen Körpers 3 sind, wird außerdem sichergestellt, dass über die gesamte Fläche des kompressiblen Körpers 3 ein annähernd gleicher Druck auf die Batteriezelle 2 ausgeübt wird.
11. Ausführungsbeispiel
Figur 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 1 mit einer Batteriezelle 2 und einem kompressiblen Körper 3 in einer Haltevorrichtung 4 in Form eines Gehäuses. In dieser Ausführungsform weist die Batteriezelle 2 eine gekrümmte Oberfläche 21 auf, an der der kom- pressible Körper 3 anliegt. Der kompressible Körper 3 ist gemeinsam mit der Batteriezelle 2 in der Haltevorrichtung 4 eingespannt und überträgt eine Kraft auf die Batteriezelle 2, die im Wesentlichen senkrecht zur gekrümmten Oberfläche 21 ausgerichtet ist. Bei zylindrischen Anordnungen, kann die Kraft beispielsweise in radiale Richtung wirken. Auch hier sind weitere Ausführungsformen möglich, in denen das System mehrere kompressible Körper aufweist, und/oder in denen kompressible Körper mehrere Deformationssensoren aufweisen, und/oder in denen das Batteriesystem mehrere Batteriezellen aufweist.
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.
Bezugszeichenliste
1 Batteriesystem
2,2a,b,c Batteriezelle
3,3a,b,c kompressibler Körper
4 Haltevorrichtung
5,5a-f Sensor
6 Elektronik
21 Oberfläche der Batteriezelle
31 Hohlraum
32 erster Wandabschnitt
33 zweiter Wandabschnitt
41a, b Wand der Haltevorrichtung
51 Anschluss
52 Anschluss
53 Elektrode
54 Elektrode
55 Dielektrikum
56 elektrisch leitfähiges Teil
57 Elektrode
58 elektrisch leitfähiges Teil (mit kegelförmige Kontaktspitzen)
59 Elastomerfolie

Claims

Patentansprüche
1. Batteriesystem (1), aufweisend zumindest eine Batteriezelle (2), und zumindest einen reversibel kompressiblen Körper (3) mit einem Deformationssensor (5), der in direktem oder indirektem mechanischem Kontakt mit einer Oberfläche der Batteriezelle (2) steht, wobei der kompressible Körper (3) mit einem Elastomer gebildet ist und zumindest einen Hohlraum (31) aufweist, und der kompressible Körper (3) gemeinsam mit der Batteriezelle (2) in einer Haltevorrichtung (4) des Batteriesystems (1) zur Erzeugung einer Vorspannung derart eingespannt ist, dass der eingespannte kompressible Körper (3) gegenüber einem unbelasteten Zustand komprimiert ist und einen einstellbaren Druck auf die Batteriezelle (2) ausübt, der eingespannte kompressible Körper (3) durch eine Ausdehnung der Batteriezelle (2) stärker komprimierbar ist, und der eingespannte kompressible Körper (3) durch eine Kontraktion der Batteriezelle (2) weniger stark komprimierbar ist.
2. Batteriesystem (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) und der kompressible Körper (3) eine flächige Struktur aufweisen und vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind.
3. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der kompressible Körper (3) um mindestens 0,05 mm, bevorzugt um mindestens 0,1 mm, besonders bevorzugt um mindestens 0,2 mm reversibel komprimierbar ist.
4. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der kompressible Körper (3) im unbelasteten Zustand eine Steifigkeit aufweist, sodass zur Kompression um 0,1 mm ein Druck von weniger als 500 kPa, bevorzugt weniger als 100 kPa, besonders bevorzugt weniger als 25 kPa aufgebracht werden muss.
5. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der kompressible Körper (3) im eingespannten Zustand einen Druck von mehr als 5 kPa, bevorzugt mehr als 10 kPa, besonders bevorzugt mehr als 20 kPa auf die Batteriezelle (2) ausübt und/oder weniger als 10000 kPa, bevorzugt weniger als 5000 kPa, besonders bevorzugt weniger als 1000 kPa auf die Batteriezelle ausübt.
6. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der kompressible Körper (3) derart ausgestaltet ist, dass ein durch den kompressiblen Körper (3) auf eine Kontaktfläche der Batteriezelle (2) ausgeübter Druck gleichmäßig ist.
7. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der kompressible Körper (3) derart ausgestaltet ist, dass im unbelasteten Zustand das Volumen des zumindest einen Hohlraums (31) mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %, besonders bevorzugt mindestens 30 % des Gesamtvolumens des kompressiblen Körpers (3) beträgt.
8. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hohlraum (31) von zumindest einem ersten Wandabschnitt (32) mit einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Oberflächenstruktur begrenzt ist und/oder der kompressible Körper (3) eine Porenstruktur aufweist.
9. Batteriesystem (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hohlraum (31) von einem zwei- ten Wandabschnitt (33) mit einer ein- oder zweidimensionalen periodischen Oberflächenstruktur begrenzt ist, der dem ersten Wandabschnitt (32) gegenüberliegt und zumindest bereichsweise komplementär zum ersten Wandabschnitt (32) ausgebildet ist, sodass der erste Wandabschnitt (32) und der zweite Wandabschnitt (33) bei einer Kompression des kompressiblen Körpers (3) ineinandergreifen können, und der kompressible Körper (3) eine Elastomerfolie (59) aufweist, die zwischen dem ersten Wandabschnitt (32) und dem zweiten Wandabschnitt (33) angeordnet ist, wobei die Elastomerfolie (59) beim Ineinandergreifen der Wandabschnitte (32, 33) dehnbar ist.
10. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kompressible Körper (3) zumindest einen Deformationssensor (5) mit zwei elektrischen Anschlüssen (51, 52) enthält und der zumindest eine Deformationssensor aufweist: zumindest zwei Elektroden (53, 54), die im kompressiblen Körper (3) angeordnet sind und mit jeweils einem der Anschlüsse (51, 52) elektrisch verbunden sind, und ein Dielektrikum (55), das zwischen den zumindest zwei Elektroden (53, 54) angeordnet ist, wobei eine elektrische Kapazität zwischen den Elektroden (53, 54) durch eine Ausdehnung der Batteriezelle (2) vergrößerbar und durch eine Kontraktion der Batteriezelle (2) verkleinerbar ist, oder durch eine Ausdehnung der Batteriezelle (2) verkleinerbar und durch eine Kontraktion der Batteriezelle (2) vergrößerbar ist; oder mindestens ein elektrisch leitfähiges Teil (56, 58), das im kompressiblen Körper angeordnet ist und derart mit den zwei Anschlüssen (51, 52) elektrisch verbunden ist, dass ein elektrischer Widerstand zwischen den zwei Anschlüssen (51, 52) durch eine Ausdehnung der Batteriezelle (2) verkleinerbar ist und durch eine Kontraktion der Batteriezelle (2) vergrößerbar ist, oder durch eine Ausdehnung der Batteriezelle (2) vergrößerbar ist und durch eine Kontraktion der Batteriezelle (2) verkleinerbar ist.
11. Batteriesystem (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dielektrikum (55) aus einem Elastomer gebildet ist und bevorzugt mindestens einen Hohlraum enthält; und/oder zumindest eine der zumindest zwei Elektroden (53, 54) aus einem Elastomer mit leitfähigen Partikeln gebildet ist; oder das elektrisch leitfähige Teil (56, 58) aus einem Elastomer mit leitfähigen Partikeln gebildet ist und bevorzugt mindestens einen Hohlraum enthält.
12. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der zumindest zwei Elektroden (53, 54) oder das elektrisch leitfähige Teil (56, 58) flächig ausgebildet ist und vorzugsweise im unbelasteten oder eingespannten Zustand des kompressiblen Körpers (3) gekrümmt ist, besonders bevorzugt mit einem Krümmungswinkel von mindestens 30° gekrümmt ist.
13. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Deformationssensor (5) zumindest drei Elektroden (53, 54, 57) enthält, die zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet sind und von denen die beiden äußeren Elektroden (53, 57) elektrisch miteinander verbunden sind.
14. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine kompressible Körper (3) zwei oder mehr Deformationssensoren (5a-f) aufweist, die jeweils an unterschiedlichen Stellen des kompressiblen Körpers (3) angeordnet sind.
15. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (1) zumindest zwei kompressible Körper (3a, 3b) aufweist, die jeweils einen oder mehrere Deformationssensoren (5) aufweisen.
16. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend zumindest zwei Batteriezellen (2a, 2b) und zumindest zwei kompressible Körper (3a, 3b), wobei sich genau ein kompressibler Körper (3a oder 3b) zwischen zwei Batteriezellen (2a, 2b) befindet, und sich bevorzugt zwischen jeweils zwei Batteriezellen (2a, 2, b) ein kompressibler Körper (3a oder 3b) befindet und wobei sich besonders bevorzugt zwischen jeweils zwei Batteriezellen (2a, 2b) mit jeweils einem kompressiblen Körper (3a, 3b) eine starre Wand (41a, b) der Haltevorrichtung (4) befindet.
17. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kompressible Körper (3) einen Temperatursensor, einen Ultraschallsensor, einen Drucksensor, einen elektrischen Sensor, wie vorzugsweise einen Spannungs- oder Stromsensor, oder einen Impedanzsensor aufweist.
18. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 10-17, weiter aufweisend eine Elektronik (6), die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen des Deformationssensors (51, 52) und/oder eine elektrische Kapazität zwischen den Elektroden (53, 54) und/oder den beiden Anschlüssen des Deformationssensors (51, 52) zu messen.
19. Batteriesystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kompressible Körper (3) beim Vorspannen eine Dimensionsänderung in Einspannrichtung um mindestens 0,1% und maximal 99%, bevorzugt mindestens 0,5 % und maximal 95%, besonders bevorzugt mindestens 1 % und maximal 90% erfährt.
20. Verwendung des kompressiblen Körpers (3) des Batteriesystems (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, als Vorspannvorrichtung zur Ausübung eines Drucks auf die Batteriezelle (2) und/oder als Deformationssensor zur Erfassung der Ausdehnung und/oder Kontraktion der Batteriezelle (2).
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