JP2017538253A - ガルバニ電池、及び、ガルバニ電池を製造する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、少なくとも１つの周回型電池又は電池スタックがその中に存在するハウジング（４）と、ガルバニ電池（２）の圧力を検出するセンサ（１６）と、を備えたガルバニ電池（２）に関する。ハウジング（４）は、上記電池（２）の内部と外部との間の貫通口として構成された空所を有し、センサ（１６）は、上記電池（２）の外部に、直接的又は間接的にハウジング（４）に固定して配置されることが構想される。センサ（１６）は、特に微小電気機械システムは、空所を介してガルバニ電池（２）の内部と接触する。さらに、本発明は、このようなガルバニ電池（２）を製造する方法に関する。【選択図】図１
Description
本発明は、ガルバニ電池、及び、ガルバニ電池を製造する方法に関する。
現在では、電気自動車のための電池セルの駆動状態の監視、例えば電圧及び温度の監視は、外部に取り付けられたセンサによって行われている。進行中の開発の枠組みにおいては、より厳密な測定又は新種の測定値の測定を行うことがより重要になる。電池の劣化状態を管理するための上記の重要な測定値の１つは、電池の内部圧力である。なぜならば、電池セルの内部の圧力の上昇は、誤動作や近いうちに故障することを示唆しているからである。このような測定の実現は、電池セルに圧力センサを挿入することにより行われる。
電池セルの内部の環境条件は、従来の包装材料、封止用コンパウンド、プリント基板、接着材、又はゲルのために、何の問題も無く適しているわけではない。これに対して、例えば車両の排気管又潤滑油のための、典型的な耐薬品性を備えるセンサの構想は、電池の電解質による化学反応とは明らかに掛け離れているため不適当である。
ガルバニ電池の劣化状態及び安全性を監視するためのセンサ、特にガルバニ電池の圧力を検出するためのセンサを備えたガルバニ電池に対する需要が生じる。
特開２０１２−０７４１９８号明細書には、複数の電池モジュールを備えたエネルギー生成装置が開示されており、ここでは、電池モジュールの劣化が、電池モジュールの内部の圧力測定を介して検知される。圧力センサは、導電性ゴムを利用した感圧スイッチである。
独国特許出願公開第１０２０１２２０７９９９号明細書には、所謂パウチ形電池（ｐｏｕｃｈ＝袋）内の圧力センサが開示されており、その際に、圧力センサは、微小電気機械システムとして構成されうる。圧力センサは、電池の内部から又は外部から、弾力性のあるフォイルバックに接着される。
少なくとも１つの周回型電池又は電池スタック、及び場合によっては、液状又は気体の電解質が収容されるハウジングと、ガルバニ電池の圧力を検出するセンサと、を備えた本発明に係るガルバニ電池では、以下のことが構想され、即ち、ハウジングが、上記電池の内部と外部との間の貫通口として構成された空所を有し、センサが、上記電池の外部に、直接的又は間接的にハウジングに固定して、特にハウジングのカバーに固定して配置されており、センサは、空所を介してガルバニ電池の内部と接触し、及び場合によっては、ガルバニ電池の液状又は気体の電解質と接触することが構想される。
有利に、本発明に係るセンサは、上記電池の内部と直接的に接触し、ガルバニ電池の内部の圧力を直接測定することが可能である。しかしながら、センサは、電気的接触を簡単にするために、ハウジングの外部に配置されている。
さらに本発明に基づいて、センサは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）である。微小電気機械システムは、本発明の枠組みにおいて、マイクロシステムとも称されうる。微小電気機械システムは、超小型化された装置、アセンブリ、又は、好適にミクロメートルの範囲の、１つのシステムとして協働するコンポーネントを有する構成要素を含む。その際に、微小電気機械システムは、少なくとも１つの圧力センサ、さらに場合によっては、アクチュエータ、及び、チップ上の制御エレクトロニクス部も含む。例えば、このような微小電気機械システムは、例えばシリコン又はひ化ガリウム等の基板上に作成されうる。微小電気機械システムには、その大きさに基づき特に安価に製造可能であるという利点がある。微小電気機械システムは、電気的機能と非電気的機能との統合に基づき、非常に多様な機能を提供する。従って、圧力センサは、例えば圧電抵抗式圧力センサとして、圧電式圧力センサとして、ホール（Ｈａｌｌ）素子を含む圧力センサとして、容量式圧力センサとして、又は誘導式圧力センサとして構成され、その際に、圧電抵抗式圧力センサが、好適な実施形態を構成する。
ハウジングの空所は、好適に寸法が０．１ｍｍ〜５ｍｍであり、この数値情報は、円形の横断面の場合には直径又は半径に関し、方形の横断面の場合には、稜の長さに関する。
好適な実施形態によれば、圧力センサは、少なくとも１つの、好適には複数の第１のボンディング用ワイヤを介して評価ユニットと接続される。圧力センサは電池の外部に存在するため、第１のボンディング用ワイヤの固定は、ハウジングの製造前又は製造後に、特に、ハウジングに巻回型電池を挿入してハウジングカバーでハウジングを閉鎖した後に行われうる。
評価ユニットは、例えば、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ、特定用途向け集積回路）を含み、又は、マイクロプロセッサであって、ハウジングに、特にハウジングカバーに、又は、圧力センサの近傍のプリント基板に配置可能な上記マイクロプロセッサを含む。プリント基板は、ガルバニ電池の更なる別の駆動パラメータを決定するセンサ、特に電圧又は温度を決定するセンサに対応付けられた更なる別の電気線を有しうる。圧力センサは原則的に、電池の上側にも、電池の外被面にも配置可能であり、好適に更なる別の電子部品の近傍に配置可能であり、従って、共通のプリント基板への電気線及び他の電子部品の統合が行われうる。通常では、センサは、端子の領域に取り付けられ、これは、電圧センサのための典型的な取り付け場所である。
好適に、ガルバニ電池は、角柱形状のガルバニ電池であるが、本発明は、この構造形態には限定されない。円形の電池及び平坦な電池も構想されうる。更なる別の好適な実施形態によれば、ハウジングは、寸法安定性を有する材料で構成され、例えばアルミニウムで構成される。
一実施形態によれば、ガルバニ電池は、空所を有する台座要素を備え、空所は、ハウジングの空所とともに、電池の内部と外部との間の貫通口を形成し、台座要素は、センサをハウジングと連結させる。その際に、台座要素の空所は、好適に、ハウジングの空所と完全に等しく又はほぼ完全に等しく構成される。これにより、センサが、台座要素に直接的に固定され、台座要素自体は、ハウジングに直接的に固定される。その際に、台座要素が、ハウジングに、特にハウジングカバーにろう接又は接着されること、及び、センサが台座要素にろう接され、接合され（ｂｏｎｄｅｎ）、又は接着されることが構想されうる。
一実施形態によれば、台座要素は、ガラスで製造される。アルミニウム製のハウジングへの、特にアルミニウム製のハウジングカバーへのガラス製の台座要素の取り付けは、ろう接又は接着により行われうる。台座要素へのセンサの取り付けも同じように、ろう接により行われる。なぜならば、ガラスへのシリコンのろう接及び接合も原則的には可能であり、好適な実施形態を形成するからである。
特にガラスで製造された台座要素には、例えば被膜によって、耐電解質性を備えた防護膜が設けられる。その際には、台座要素の空所にのみ、耐電解質性を備えた防護膜が成膜され、又は追加的に、台座要素とセンサとの間及び／又は台座要素とハウジングとの間の界面に、上記防護膜が成膜されることが構想されうる。追加的又は代替的に、センサが、耐電解質性を備えた防護膜を有することが構想されうる。
リチウムイオン電池の場合は、フッ化水素酸から防護する被膜が利用される。この被膜は、例えば、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ニッケル・クロム・鉄合金、又は、モリブデン合金を有しうる。成膜は、例えば、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学蒸着法）、ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、物理蒸着法）を用いて、又は、スパッタ法によっても行われ、その際に、ＣＶＤ、特にＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、原子層堆積法）が好ましい。
一実施形態によれば、ハウジングは、ハウジングの壁を形成するハウジングカバーを有する。センサは、好適に、間接的又は直接的にハウジングカバーに固定されている。
好適な実施形態によれば、ハウジングはバーストディスクを有する。一実施形態によれば、センサは、間接的又は直接的にバーストディスクに固定される。その際に、バーストディスクは、特にハウジングカバーに配置されうる。バーストディスクは、典型的に、自身を包囲する領域よりも薄く形成され、特に、ハウジングカバーよりも薄く形成される。有利に、上記の措置によって、センサに対する熱機械的なストレスが低減される。
好適な実施形態によれば、センサ、及び、場合によっては、評価エレクトロニクス部又は評価エレクトロニクス部の少なくとも一部、例えばＡＳＩＣが、防護ハウジングの下に配置される。代替的に、センサは、及び、場合によっては、評価エレクトロニクス部の一部又は評価エレクトロニクス部全体が、封止用材料で封止されている。その際に、防護ハウジングは、任意の形状を有してもよく、特に場所を取らないように構成されうる。
本発明の他の観点によれば、ガルバニ電池を製造する方法であって、ガルバニ電池は、少なくとも１つの周回型電池又は電池スタック、及び場合によっては、液状又は気体の電解質が収容されるハウジングと、ガルバニ電池の圧力を検出するセンサと、を備え、センサは、微小電気機械システムである、上記方法は、以下の工程、即ち、
ａ）上記電池の内部と外部との間の貫通口として構成された空所を有するハウジングカバーを準備する工程と、
ｂ）センサを上記電池の外部に、直接的又は間接的にハウジングカバーに固定する工程であって、これにより、センサが空所を介してガルバニ電池の内部と接触しうる、上記固定する工程と、
ｃ）評価エレクトロニクス部との電気的接続を構築するためにセンサにワイヤボンディングを施す工程、場合によっては、センサを封止する工程又はセンサに覆いを付ける（Ｖｅｒｋａｐｐｅｎ）工程と、
ｄ）上記電池のハウジング胴体部にハウジングカバーを固定する工程と、
を含む。
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ｂ）センサを上記電池の外部に、直接的又は間接的にハウジングカバーに固定する工程であって、これにより、センサが空所を介してガルバニ電池の内部と接触しうる、上記固定する工程と、
ｃ）評価エレクトロニクス部との電気的接続を構築するためにセンサにワイヤボンディングを施す工程、場合によっては、センサを封止する工程又はセンサに覆いを付ける（Ｖｅｒｋａｐｐｅｎ）工程と、
ｄ）上記電池のハウジング胴体部にハウジングカバーを固定する工程と、
を含む。
ガルバニ電池は、電池セル又は蓄電池セルが典型的に空間的に纏められ回路技術的に互いに接続された電池モジュール及び／又は電池パックで使用するために適している。例えば、複数のモジュールが、バッテリダイレクトコンバータを形成し、複数のバッテリダイレクトコンバータが、自動車の駆動システムを駆動するために設けられたバッテリダイレクトインバータを形成しうる。自動車は、純粋な電気自動車として構成され、電気的駆動システムのみ含みうる。代替的に、自動車は、電気的駆動システム及び内燃機関を備えたハイブリッド自動車として構成されうる。幾つかの変形例において、ハイブリッド自動車の電池に、内部で発電機を介して内燃機関の余剰のエネルギーを充電しうることが構想されうる。外部で再充電可能なハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ：ｐｌｕｇ−ｉｎ ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）では、追加的に、外部の電力網を介して電池を再充電するという可能性が設けられる。
本発明の実施例が図面に示され、以下の明細書の記載において詳細に解説される。
本発明の一実施形態に係る角柱形状の電池セルを示す。
本発明の一実施形態に係る、ガルバニ電池のハウジングとその上に載置されたセンサとの詳細図を示す。
本発明の一実施形態に係る、ガルバニ電池のハウジングとその上に載置されたセンサとの詳細図を示す。
本発明の一実施形態に係る、ガルバニ電池のハウジングとその上に載置されたセンサとの詳細図を示す。
本発明の一実施形態に係る、ガルバニ電池のハウジングとその上に載置されたセンサとの詳細図を示す。
本発明の一実施形態に係る、ガルバニ電池のハウジングとその上に載置されたセンサとの詳細図を示す。
本発明の実施例についての以下の明細書の記載においては、同一又は類似した構成要素は、同一又は類似した符号で示され、個々のケースでの、同一又は類似した構成要素についての重複説明は省略される。図は、本発明の主題を単に概略的に示したものである。
図１は、本発明の一実施形態に係るガルバニ電池２を示している。ガルバニ電池２は、以下では、短く電池２とも称される。
ガルバニ電池２は、ハウジング４を有し、ハウジング４は、ハウジングカバー６と、ハウジング胴体部８と、を備える。ハウジング４の内部には、１つ以上の巻回型電池又は電池スタックが配置されているが、図１のガルバニ電池２の斜めから見た外観図では見られない。
図示されたガルバニ電池２は、原則的に公知の角柱形状のガルバニ電池２であり、例えばリチウムイオン電池であり、例えば電気自動車及びハイブリッド自動車の場合は、車両の駆動部を提供するために、他のガルバニ電池２と相互に接続されてモジュールとなる。ハウジングカバー６には、端子１０、並びに、バーストディスク１２及び充填口１４が配置されている。端子１０を介して、ガルバニ電池２に対して外部から電気的に接触される。充填口１４及びバーストディスク１２は、ハウジングカバー６のほぼ中央に配置されるが、端子１０は、むしろ周辺に置かれている。
製造時には、巻回型電池又は電池スタックがハウジング４に挿入される。この後に、例えば溶接により、ハウジングカバー６によるハウジング４の閉鎖が行われる。図示されたリチウムイオン電池の場合、液状又は気体の電解質が、充填口１４を介して垂直方向に充填されてその後巻回型電池に達し、巻回型電池が電解質をたっぷりと吸収する。
ハウジング４には、特にハウジングカバー６には、特にバーストディスク１２には、ガルバニ電池２の圧力を検出するよう構成されたセンサ１６が固定されている。センサ１６は、一方では、ガルバニ電池２の内部２２と直接的に接触し、他方では、ハウジング４の外部に配置され、これにより、特に簡単な電気的接触が可能となる。
図２は、図１との関連で記載したガルバニ電池２のハウジング４の詳細図を示している。その際に、ハウジング４の一区分が、必ずしも、図１に示したようにバーストディスク１２に対応配置されている必要はなく、当然のことながらハウジング４の任意の部分であってもよいが、その際には、ハウジングカバー６への配置が好ましい。
ハウジング４は、空所１８を有し、この空所１８は、電池２の内部２２と外部２４との間の貫通口２０を形成する。ハウジング４の空所１８を取り囲む領域には、台座要素２６が配置され、この台座要素２６も同じように空所２８を有し、この空所２８も同じように、電池２の内部２２と外部２４との間の貫通口２０を形成する。台座要素２６とハウジング４とは第１の界面３０で接触し、この第１の界面３０で、例えば互いに接着され、ろう接され、又は溶接されている。
台座要素２６は、ガラスで製造され、例えば、二酸化ケイ素成分、酸化ナトリウム成分、及び酸化カルシウム成分を有しうるソーダ石灰グラスで製造され、特に、Ｎａ２Ｏ・ＣａＯ・６ＳｉＯ２という化学的組成から成る普通のガラスで製造される。台座要素２６はさらに、水、酸、及びアルカリに対する耐性を増すために、三酸化二ホウ素成分、及び／又は、酸化アルミニウム成分を有しうる。例えば、台座要素２６は、良好な耐薬品性と、より低い熱膨張係数と、が期待されるホウケイ酸ガラスであってもよい。
台座要素２６には、センサ１６が配置され、例えばろう接され又は接合される。センサ１６は、絶対圧力測定のために構成された第１のタイプのセンサ１６である。このためにセンサ１６は、例えば１ｍバールの公知の圧力を有する基準容積室（Ｒｅｆｅｒｅｎｚｖｏｌｕｍｅｎ）３４を有する。
台座要素２６とセンサ１６とは、第２の界面３２で接触する。
センサ１６は、電池２の内部２２と直接的に接触する第１の接触領域３６を有し、これにより、ハウジング４の内部の圧力を直接的に測定することが可能である。特に、センサ１６は、第１の接触領域３６において、貫通口２０を介してガルバニ電池２の内部２２と接触し、及び場合によっては、ハウジング４の内部２２に存在する液状又は気体の電解質と接触する。
台座要素２６も、貫通口２０をともに形成する自身の空所２８の領域において、電池２の内部２２と接触し、及び場合によっては、液状又は気体の電解質と接触する。従って、空所２８の領域では、特に台座要素２６がガラスで製造される場合には、当該台座要素２６が被膜を有することが構想されうる。その際に、この被膜は、さらにセンサ１６に、台座要素２６とセンサ１６との間の第２の界面３２に、及び／又は、台座要素２６とハウジング４との間の第１の界面３０にも延在しうる。
センサ１６は、ハウジング４又は電池２の外部２４と直接的に接触する外部領域３８をさらに有する。センサ１６の外部領域３８を介して、図５及び図６に関連して詳細に記載するように、センサ１６への電気的な接触が行われる。
図３は、図２と同様に、ガルバニ電池２の本発明に係るハウジング４の詳細図を示しており、この場合、センサ１６は、第２のタイプのセンサ１６であり、相対圧力測定のために構成されている。センサ１６自体は、台座要素２６を介して、ハウジング４と間接的に連結されており、図２に関して記載したように、第１の接触領域３６及び外部領域３８を有し、これら第１の接触領域３６及び外部領域３８を介して、センサ１６は、一方では、電池２の内部２２と接触し、他方では、電池２の外部２４と直接的に接触する。図２の実施形態に対して、第２のタイプのセンサ１６は基準容積室３４を有しておらず、従って、外圧に対して相対的に測定が行われる。
図４は、更なる別の実施形態を示しており、センサ１６が、本実施形態でも例えば相対圧力測定のための第２のタイプのセンサ１６が、第３の界面５２を介して、ハウジング４に直接的に連結しており、その際には、図２及び図３で記載した実施形態に対して、台座要素２６が使用されない。
図５は、更なる別の実施例によるガルバニ電池２を示しており、図３に記載した構成が、更なる別の構成要素の分だけ拡張された。
センサ１６は、第１のボンディング用ワイヤ４０によって、プリント基板４４上に存在するＡＳＩＣ４２に結合されている。センサ１６も、ＡＳＩＣ４２及びプリント基板４４を含む評価ユニットも、防護ハウジング４６の内部２２に存在しており、この防護ハウジング４６によって、圧力変動等の外部の影響、又は変形等の機械的作用から防護される。防護ハウジング４６の代わりに、封止要素も構想されてもよい。この封止要素によって、センサ１６及び評価ユニットは、封止コンパウンドにより包み込まれる。
プリント基板４４上には、更なる別の構成要素が配置されてもよく、特に、更なる別のＡＳＩＣ、マイクロコントローラ、例えば、温度センサ及び／又はこれらの要素への導電路が配置されてもよい。
図６は、更なる別の代替的な実施形態を示しており、ここでは、プリント基板４４の第１の部分のみが、防護ハウジング４６の内部に配置されており、プリント基板４４の第２の部分は、防護ハウジング４６を超えて外部へと突出している。外部への電気的接触のために、プリント基板４４の第２の部分には接触経路５０が設けられている。ＡＳＩＣ４２は、第２のボンディング用ワイヤ４８を介して接触経路５０と接続されている。代替的に、半田バンプが設けられてもよい。
本発明は、記載された実施例、及び、そこで強調された特徴には限定されない。むしろ、特許請求の範囲により示される範囲内で、当業者の業の範囲に収まる複数の変更が可能である。
Claims (10)
- ガルバニ電池（２）であって、少なくとも１つの周回型電池又は電池スタックが収容されるハウジング（４）と、前記ガルバニ電池（２）の圧力を検出するセンサ（１６）と、を備え、前記ハウジング（４）は、前記電池（２）の内部（２２）と外部（２４）との間の貫通口（２０）として構成された空所（１８）を有し、前記センサ（１６）は、前記電池（２）の外部に、前記ハウジング（４）に直接的又は間接的に固定して配置されており、前記センサ（１６）は、前記空所（１８）を介して前記ガルバニ電池（２）の前記内部（２２）と接触し、前記センサ（１６）は、微小電気機械システムである、ガルバニ電池（２）。
- 前記センサ（１６）は、相対圧力測定のために構成され、又は、前記センサ（１６）は、基準容積室（３４）を含み、絶対圧力測定のために構成される、請求項１に記載のガルバニ電池（２）。
- 前記センサ（１６）は、少なくとも１つの第１のボンディング用ワイヤ（４０）を介して評価ユニットと接続される、請求項１〜２のいずれか１項に記載のガルバニ電池（２）。
- 前記ガルバニ電池（２）は、角柱形状のガルバニ電池（２）であり、前記ハウジング（４）は、寸法安定性を有する材料で構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガルバニ電池（２）。
- 前記ガルバニ電池（２）は、更なる別の空所（２８）を有する台座要素（２６）を備え、前記更なる別の空所（２８）は、前記ハウジング（４）の前記空所（１８）とともに、前記電池（２）の前記内部（２２）と前記外部（２４）との間の前記貫通口（２０）を形成し、前記台座要素（２６）は、前記センサ（１６）を前記ハウジング（４）と連結させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガルバニ電池（２）。
- 前記台座要素（２６）は、ガラスで製造される、請求項５に記載のガルバニ電池（２）。
- 前記台座要素（２６）、前記センサ（１６）、及び／又は、前記台座要素（２６）と前記センサ（１６）との間又は前記台座要素（２６）と前記ハウジング（４）との間の界面（３０、３２）は、耐電解質性を備えた防護膜を有する、請求項５又は６に記載のガルバニ電池（２）。
- 前記ハウジング（４）は、前記ハウジング（４）の壁を形成するハウジングカバー（６）を有し、前記センサ（１６）は、間接的又は直接的に前記ハウジングカバー（６）に固定される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のガルバニ電池（２）。
- 前記センサ（１６）は、防護ハウジング（４６）の下に配置され、又は、封止用材料で封止されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のガルバニ電池（２）。
- ガルバニ電池（２）を製造する方法であって、前記ガルバニ電池（２）は、少なくとも１つの周回型電池又は電池スタックが収容されるハウジング（４）と、前記ガルバニ電池（２）の圧力を検出するセンサ（１６）と、を備え、前記センサ（１６）は、微小電気機械システムである、前記方法において、以下の工程、即ち、
ａ）前記電池（２）の内部（２２）と外部（２４）との間の貫通口（２０）として構成された空所（１８）を有するハウジングカバー（６）を準備する工程と、
ｂ）前記センサ（１６）を前記電池（２）の外部に、直接的又は間接的に前記ハウジングカバー（６）に固定する工程であって、これにより、前記センサ（１６）が前記空所（１８）を介して前記ガルバニ電池（２）の前記内部（２２）と接触しうる、前記固定する工程と、
ｃ）評価エレクトロニクス部との電気的接続を形成するために、前記センサ（１６）にワイヤボンディングを施す工程と、
ｄ）前記電池（２）のハウジング胴体部（８）に前記ハウジングカバー（６）を固定する工程と、
を含む、方法。
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