JP2013251267A - 感圧フィルムセンサを備えたバッテリセル - Google Patents

Abstract

【課題】あらゆる点で信頼性の高いバッテリ状態の検出を可能とする。
【解決手段】本発明は、セルハウジング（１２）と、セルハウジング（１２）内に配置された捲回電極体（２０）と、を備えたバッテリセル（１０）に関する。捲回電極体（２０）は、少なくともある特定の領域が感圧フィルムセンサ（３０）により覆われる。本発明はさらに、少なくとも１つのこのようなバッテリセル（１０）を有するバッテリのバッテリ管理システムに関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリセル、及び、対応するバッテリセルを含むバッテリのバッテリ管理システムに関する。さらに、このようなバッテリ管理システムを備えたハイブリッド車及び電気自動車が提供される。

将来的に、風力発電所のような定置型の適用において、ハイブリッド車又は電気自動車として設計された自動車において、及び、ＰＣ又は携帯電話のような電子機器において、信頼性、安全性、性能、及び寿命に対する要求が非常に高い新しいバッテリシステムが使用されることは明らかである。

少なくとも部分的に電気で駆動される車両では、駆動部を支え又は駆動部として機能する電動機のための電気エネルギーを蓄えるためにバッテリが使用される。その際に、最新世代の車両では、所謂リチウムイオンバッテリセルが利用される。このリチウムイオンバッテリセルは特に、エネルギー密度が高く、自己放電が非常に僅かなことにより優れている。リチウムイオンバッテリセルは、リチウムイオンが可逆的に入り（インタカレーション）又は再び出る（デインタカレーション）ことが可能な正の電極と負の電極とを有する。通常では、複数のバッテリが１つのバッテリモジュールへと纏められ、続いて、複数のバッテリモジュールが、並列回路又は直列回路によって１つのバッテリに纏められる。その際の大きな課題は、バッテリの個々のセルの機能を監視しバッテリの充電プロセスを制御する効果的なバッテリ管理システムである。このようにして、例えば、故障したセルを停止し及び／又は迂回し、充電状態についての状態報告を出し、場合によってはバッテリセルを平衡化させることが可能である。

従来技術によるリチウムイオンバッテリセルは、通常では、金属製のセルハウジングを有し、このセルハウジング内には、少なくとも１つの捲回電極体が配置される。捲回電極体は、活性な陽極材料又は陰極材料がコーティングされた２つの金属基板を有する。この２つの基板の間には、セパレータが存在する。セルの電気的接続は、捲回電極体の上側及び下側を介して行われる。

さらに、リチウムイオンバッテリセルは、様々な充電状態に基づき、著しい容積膨張と容積縮みという危険に晒されることが知られている。即ち、セルの捲回電極体は、充電時には膨張し、放電時には再び縮む。この容積の変化は、電極内のリチウムイオンのインタカレーション又はデインタカレーション現象により引き起こされる。このような容積の変化は、セルが対応して変形しうる際には、バッテリセル被覆を介して更に外側へと伝わり、バッテリの形状的寸法が変わることに繋がるであろう。従って、従来技術によるリチウムイオンバッテリセルの場合、ハウジングは、硬質の金属製の本体から成る。

米国特許出願公開第２００６／０２４６３４５号明細書には、リチウムイオンバッテリセルをベースとするバッテリセルが記載されており、ここでは、モジュールのセルの個々のハウジングの間に圧電センサが配置される。センサにより収集された測定値は、バッテリ管理システムへと供給され、例えば、バッテリ状態検出のために使用される。

独国特許出願公開第１０２００７０６３１８８号明細書は、複数の個別リチウムイオンバッテリセルが纏められた更なる別のバッテリに関する。ここでは、圧力センサは、セルの金属製ハウジングに組み込まれ、又は、外部に、ハウジング上に存在する。圧力センサにより検出されたハウジングの弾性的な変形を利用して、バッテリ状態の言明が行われる。

米国特許出願公開第２００６／０２４６３４５号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０６３１８８号明細書

従来技術による解決策の欠点は特に、ハウジング壁の内部に、又は外部のハウジング上に圧力センサを配置しても、捲回電極体の容積の変化について直接的な言明が提供できないことである。従って、あらゆる点で信頼性の高いバッテリ状態の検出が可能ではない。

従来技術の１つ以上の欠点が、本発明に係るバッテリセル、特にリチウムイオンバッテリセルによって解決され、又は少なくとも軽減される。バッテリセルは、セルハウジングと、セルハウジング内に配置された捲回電極体と、を有する。バッテリセルは、捲回電極体が、少なくともある特定の領域が感圧フィルムセンサにより覆われることにより優れている。

本発明は、セルハウジング内にありそこの捲回電極体の直上に存在するフィルムセンサによって、捲回電極体の容積の変化についての非常に正確な測定値を提供できるという認識に基づいている。その際に、フィルムセンサは圧力センサとして構成される。

好適に、感圧フィルムセンサは、捲回電極体を周回するベルトとして構成される。即ち、フィルムセンサは、（電気的接続のための接続箇所の外側の）捲回電極体の周りに巻かれる。

感圧フィルムセンサは特に、抵抗式、静電容量式、ピエゾ抵抗式、又は圧電式の機能エレメントを有する。換言すれば、感圧フィルムセンサは好適に、抵抗式、静電容量式、ピエゾ抵抗式、又は圧電式の圧力センサである。

ピエゾ抵抗式の圧力センサは、電気抵抗が取り付けられた膜を含み、圧倒的にシリコン圧力センサとして製造される。圧力に依存する膜の変形と、当該膜上に広がった（ｅｉｎｄｉｆｆｕｎｄｉｅｒｅｎ）、変形に依存する抵抗と、を介して電圧が形成される。この圧力センサは安価に製造され、比較的高い感度を有する。圧力測定のために使用される材料は、温度に対する高い依存性を示すが、この影響は全ての抵抗に対して同じであるため、差分形成する電気回路によって上記影響を無くすことが可能である。

圧電式のセンサの場合は、圧力を用いて電荷分離によって水晶内に電圧が形成される。圧力によって、水晶の内部でイオンが動かされ、これにより表面に力に比例する電荷が形成される。この電荷は、電荷増幅器によって比例する電圧に変換される。圧電センサは基本的に力のみ測定する。センサが圧力測定技術において利用される場合には、最初に、膜を介して圧力が、比例して力に変換される必要がある。圧電センサの利点は特に、高温の影響を受けにくく、感度が高いことである。

静電容量式の圧力センサは、２つのコンデンサを含む。圧力が印加された際には、両側の対向する２つのコンデンサ板までの膜の間隔と、コンデンサの静電容量と、が逆方向に変更される。すなわち、２つのコンデンサ板までの膜の間隔が短くなると、コンデンサの静電容量が大きくなる。大抵の場合、コンデンサは内部の増幅器の一部であり、この増幅器の出力信号は、容量の差分に依存する。

さらに、感圧フィルムセンサは、ピエゾ抵抗式又は圧電式のフィルムセンサであり、フィルムセンサの領域内の温度が感温センサによって検出されるという一実施形態は特に有利である。これにより、温度に対する測定値の依存性を、直接的に非常に正確に補正することが可能である。

さらに、バッテリセルの電極端子が感圧フィルムセンサのための信号線として用いられる場合には有利である。換言すれば、測定信号の伝送は、電力線（Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ）の原則に従って、例えば電力線が既存の通信ネットワーク及び電力供給網を介した言語及びデータ伝送のための公知の電力線搬送装置で利用されるように、行われる。このために、信号は追加的に、１つ以上の搬送周波数を介して、既存の線に対して変調される。これにより、バッテリセルの特にコンパクトな構造が可能であり、フィルムセンサへの信号線の追加的な接続は行われない。

本発明の更なる別の観点は、上記の実現による少なくとも１つのバッテリセルを備えたバッテリのバッテリ管理システムを提供することである。バッテリ管理システムは、バッテリ状態検出部を備える。このバッテリ状態検出部自体は、感圧フィルムセンサにより提供される測定値、又は、当該測定値から導出される変数を読出し、評価パラメータとしてバッテリ状態を決定するために利用するよう構成される。特に、バッテリ状態検出部は、測定値又は導出された変数を用いて、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）又は劣化状態（ＳＯＨ）を決定するよう構成される。これらの特性値に基づいて、例えば、負荷プロフィール（ＳＯＦ）が予め設定可能である際に、バッテリ電圧の予測を行うことが可能であり、このこと自体は、車両内でのエネルギーフローを制御するための電気エネルギー管理部への入力として役立ちうる。換言すれば、捲回電極体上での圧力比の検出によって、バッテリの充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の直接的な言明が可能である。さらに、例えばセルの利用可能な容量のような電気化学的特性の悪化が、次第に調整されるため、劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）について言明を行うことが可能である。従って、捲回電極体上の圧力比も、複数の充電サイクルの後に、又は、バッテリセルの起こりうる不可逆的な損傷に基づいて変化することになる。更なる別の利点は、セルの安全性を向上させる可能性である。バッテリセルは、外部からの影響（非常な暑さ、過剰充電、機械的変形）が極端に大きい際にリスクの元となる高反応性で可燃性の材料で構成される。捲回電極体の直上での圧力比の検出に基づいて、非常に早期に、ここでは例えばバッテリの発火又は爆発に繋がりうる自発的な発熱反応が引き起こされる前に、対策を示すことが可能である。この対策は例えば、バッテリセルの迅速で制御された放電を含む。

最後に、本発明は、このようなバッテリ管理システムを含むハイブリッド車又は電気自動車に関する。

本発明の好適な発展形態は従属請求項に示され、以下の明細書において記載される。

本発明の実施例が、図面及び以下の明細書の記載によってより詳細に解説される。
本発明に係るバッテリセルの部分断面図を示す。

図１は、バッテリセル１０の部分断面図を示す。バッテリセル１０は、金属製のセルハウジング１２を備え、このセルハウジング１２の上側はカバー１４によって密封される。カバー１４の領域内には、陰極１６と、圧力リリーフ弁１８と、が配置される。セルハウジング１２の内部には、捲回電極体２０が存在し、この捲回電極体２０は、アノード２２と、カソード２４と、アノード２２とカソード２４の間に配置されたセパレータ２６と、で構成される。アノード２２は、捲回電極体２０の上側で、導体２８を介して陰極１６と電気的に接続される。カソード２４は、陽極を形成する金属製のセルハウジング１２上に存在する。

捲回電極体２０の直上には、ここでは静電容量式圧力センサの形態による感圧フィルムセンサ３０が存在する。ここで示されるように、セパレータ２６もフィルムセンサ３０の周りに巻かれる。しかしながら、フィルムセンサ３０は、捲回電極体２０の外側にのみ取り付けることも可能である。

フィルムセンサ３０の挿入は、捲回電極体２０又はバッテリセル１０の製造工程に直接的に組み込むことが可能であり、従って、コストが明らかに節約される。フィルムセンサ３０は、設置高さが非常に低く、従って電池の化学的反応の進行を妨げない。例えば、フィルムセンサ３０の導線は一緒に押し付けられるため、フィルムセンサ３０は通常、追加的な接合プロセスも必要としない。フィルムセンサ３０は、例えば、捲回電極体２０の保護フィルムとしても機能しうる。

感圧フィルムセンサ３０は、抵抗式、静電容量式、ピエゾ抵抗式、又は圧電式の機能エレメントを有することが可能であり、この機能エレメントは通常の製造方法を利用して作られる。従って、例えば、圧縮加工、ラミネート加工、又は、接着加工を利用することが可能である。容積縮みと、それにより生じる捲回電極体２０の層の間の機械的応力と、を良好に検出するために、捲回電極体２０の縁端領域は評価されるべきではなく、又は、上記縁端領域にフィルムセンサ３０を設けるべきではないだろう。

一実施形態において、フィルムセンサは、静電容量式のフィルムセンサ３０であってもよい。このために、重合体のキャリアフィルム上に、完全に平らな又は構造化された、例えばアルミニウムによる第１の平面状の金属被覆が電極として被せられる。金属被覆は、弾性的に復帰可能に変形可能な材料（例えばポリイミド）の形態により提供される誘電体によって覆われる。この上にさらに、完全に平らな又は構造化された、第２の平面状の金属被覆が被せられ、その際に、金属被覆により生成する電極は基本的に、第１の金属被覆の電極に対して平行に配置される。最後に、被覆層（例えば、腐食又は酸化保護層としてのラッカー層又は高分子フィルム）が施される。２つの電極の間隔の変化によって容量も変化し、この値から、バッテリセル内で支配する圧力を推測し、又は、捲回電極体の容積の変化を検出することが可能である。

代替的に、フィルムセンサは、圧電式のフィルムセンサ３０としても構成されうる。圧電フィルムは、好適に、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、即ち、透明で半結晶性の熱可逆性樹脂で構成され、この熱可逆性樹脂は、圧電特性を形成するために極性が与えられ、即ち、加熱され、一次元的に引き延ばされ、その際に、双極子の方向付けのために、強く誘導された電磁場に晒される。変形の際に発生した双極子の電荷を誘導するためには、ＰＶＤＦフィルムに金属の膜を被せるべきであろう。この金属被膜は、好適に、金、又は、銅ニッケル合金で構成される。その後、電荷は、圧電フィルムの縁端の電極により掴まえられ、電荷増幅器によって、測定可能な電圧に変換されうる。センサのエネルギー供給は、例えば、バッテリ電圧を用いて行うことが可能である。

フィルムセンサ３０により提供される測定値は、導体２８と陰極１６とを介して、搬送周波数としての（ここでは図示されない）バッテリの接続線に対して変調される。（同様にここでは図示されない）バッテリ管理システムはこの測定値を検出し、この測定値を、特に充電状態（ＳＯＣ）又は劣化状態（ＳＯＨ）を決定するためのバッテリ状態検出の際に評価する。検出された圧力比は、例えば、バッテリの状態監視の際に、又は、バッテリ管理システム内でのバッテリのより値の低い特性値の決定の際に役立つ。圧力比の検出によって同様に、セルの安全なリサイクルが可能となる。

Claims (8)

1. セルハウジング（１２）と、前記セルハウジング（１２）内に配置された捲回電極体（２０）と、を備えたバッテリセル（１０）において、前記捲回電極体（２０）は、少なくともある特定の領域が感圧フィルムセンサ（３０）により覆われることを特徴とする、バッテリセル（１０）。
2. 前記感圧フィルムセンサ（３０）は、前記捲回電極体（２０）を周回するベルトとして構成されることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリセル。
3. 前記感圧フィルムセンサ（３０）は、抵抗式、静電容量式、ピエゾ抵抗式、又は、圧電式の機能エレメントを有する、請求項１〜２のいずれか１項の記載のバッテリセル。
4. 前記バッテリセル（１０）の電極端子は、前記感圧フィルムセンサ（３０）のための信号線として用いられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリセル。
5. 前記感圧フィルムセンサ（３０）は、ピエゾ抵抗式又は圧電式のフィルムセンサであり、前記感圧フィルムセンサ（３０）の領域内の温度は、感温フィルムセンサによって検知される、請求項３に記載のバッテリセル。
6. セルハウジング（１２）と、前記セルハウジング（１２）内に配置された捲回電極体（２０）と、を備えた少なくとも１つのバッテリセル（１０）を有するバッテリのバッテリ管理システムであって、前記バッテリ管理システムは、バッテリ状態検出部を備える、前記バッテリ管理システムにおいて、前記バッテリセル（１０）の前記捲回電極体（２０）は、少なくともある特定の領域が感圧フィルムセンサ（３０）により覆われ、前記バッテリ状態検出部は、前記感圧フィルムセンサ（３０）により提供される測定値、又は、前記測定値から導出される変数を読出し、評価パラメータとして前記バッテリ状態を決定するために利用するよう構成されることを特徴とする、バッテリ管理システム。
7. 前記バッテリ状態検出部は、前記感圧フィルムセンサ（３０）により提供される前記測定値、又は、前記測定値から導出される変数を用いて充電状態（ＳＯＣ）又は劣化度（ＳＯＨ）を決定するよう構成される、請求項６に記載のバッテリ管理システム。
8. 請求項６又は７のいずれか１項に記載のバッテリ管理システムを備えたバイブリッド車又は電気自動車。
   

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