JP5788111B2 - 電池セル内から情報を伝送するための装置および方法、ならびに電池セル - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、電池セル内から情報を伝送するための装置と、電気エネルギーを貯蔵するための電池セルと、電池セル内から情報を伝送するための方法とに関する。

独国特許出願公開 DE 10 2007 021 921 A1 に、バッテリー蓄電池の監視装置が記載されている。

発明の開示
上記従来技術を背景として本発明では、独立請求項に記載の、電池セル内から情報を伝送するための装置と、電気エネルギーを貯蔵するための電池セルと、電池セル内から情報を伝送する方法とを開示する。各従属請求項と以下の記載内容とから、有利な実施形態を導き出すことができる。

電池セル内には、たとえばセンサとして構成された電子デバイスを設置することができ、この電子デバイスは、当該電池セルの外部に設置された別の電子デバイスと通信することができる。こうするためには、電池壁を貫通して電池内部または電池外部へ信号を伝送しなければならない。電池壁を直接通るように信号を伝送させる場合、すなわち、信号伝送用の線路を電池壁に貫通させずに信号を伝送させる場合、電池壁に孔を開けなくてもよい。このようにして、電池に漏れが生じる危険性が無くなる。また、電池のセル壁に高コストのスルーホールを設けなくてもよい。このことにより、電池セルの製造コストを削減し、電池の密閉性を改善することができる。

電池セル内から情報を伝送するための装置は、以下の構成を有する：
前記電池セルの外部ケースの内側に設けられており、かつ、前記情報を表す信号を当該外部ケースに通過させるように出力する第１の伝送装置。
前記第１の伝送装置から直流分離されて前記外部ケースの外側に配置された、前記信号を受信する第２の伝送装置。

伝送装置とは、送信器または受信器または送受信装置を指すことができる。第１の伝送装置と第２の伝送装置とは同一構成にすることができる。外部ケースは、電池セルの外面とすることができる。この外部ケースは電池セルを完全に包囲することができる。外部ケースは、電池セルの外壁を成すことができる。情報は、たとえば電池セル内部にて検出されるデータであって、当該電池セルの外側に配置された装置へ伝送すべきデータを表す情報とすることができる。たとえば前記情報は、電池セル内に配置されたセンサの測定値を表すことができる。また、前記情報は電池セルの動作状態を表すことも可能である。たとえば前記情報は、温度センサの値、電圧計の値、または化学分析センサの値を含むことができる。第２の伝送装置も同様のセンサを含むことができ、または、同様のセンサに結合することができる。前記情報は、通信プロトコルを用いて前記信号に変換することができる。前記伝送装置は、外部ケースに直接固定することができる。両伝送装置をそれぞれ外部ケースの一部分において、相互に対向させて配置することができる。直流分離とは、両伝送装置が電気的線路を介して相互に接続されていないことを意味することができる。とりわけ、第１の伝送装置は有線方式を用いずに前記信号を出力するように構成されている。このようにして、両伝送装置間を繋ぐ信号伝送線路を通すための貫通孔を外部ケースに開ける必要なく、前記情報を電池セル内部に伝送することができる。伝送装置は、外部ケースから電気的に絶縁することができる。

第２の伝送装置は、他の情報を表す別の信号を前記外部ケースに通過させるように出力するように構成することができる。第１の伝送装置は、前記別の信号を受信するように構成することができる。このようにして、前記他の情報を電池セル内部へ伝送することができる。他の情報はたとえば、第１の伝送装置に対する、または、電池セル内のセンサに対する制御命令とすることができる。このような構成により、両伝送装置を介して双方向通信を行うことができる。

第１の伝送装置は、外部ケースに直接取り付けることができる。これに代えて択一的に、またはこれと同時に、第２の伝送装置を外部ケースに直接取り付けることができる。伝送装置を外部ケースに直接取り付けることにより、低損失で前記信号を外部ケースに通過させるように送信することができる。また、前記外部ケースは、前記伝送装置の機械的支持体として使用することも可能である。

第１の伝送装置は、前記外部ケースに向かう方向の第１の伝送領域を有することができる。第２の伝送装置は、この第１の伝送領域内に配置することができる。これに代えて択一的に、またはこれと同時に、第２の伝送装置は、前記外部ケースに向かう方向の第２の伝送領域を有することができる。第１の伝送装置は、前記第２の伝送領域内に配置することができる。伝送装置は、前記信号を規定通りに前記外部ケースに通過させるように伝送するための指向特性を有することができる。両伝送装置は、相互に対向するように前記外部ケースに取り付けることができる。

前記第１の伝送装置および第２の伝送装置はそれぞれ、誘導式伝送装置として構成することができる。両伝送装置のうち少なくとも一方は、コイルとすることができる。他方の伝送装置はダイポールまたはコイルとすることができる。第２の伝送装置をケーブルの一部分とすることも可能である。このような構成により、複数の電池セルの複数の情報を１つのケーブルで受信することができる。前記信号は、符号化された信号とすることができる。

前記第１の伝送装置および第２の伝送装置はそれぞれ、容量式伝送装置として構成することができる。各１つの伝送装置を、平行平板コンデンサの一方の平板とすることができる。第１の伝送装置における電荷移動により、第２の伝送装置において電荷移動を引き起こすことができ、また逆に、第２の伝送装置における電荷移動により、第１の伝送装置において電荷移動を引き起こすこともできる。

電気エネルギーを貯蔵するための電池セルは、以下の構成を有する：
前記電池セルを包囲する外部ケース、
前記外部ケースに設置された伝送用の装置。

前記外部ケースは、たとえば金属壁とすることができる。また、前記外部ケースをプラスチックから形成することも可能である。外部ケースに電池セルの電気的接続端子を貫通させることが可能である。前記電池セルはたとえば、再充電可能電池の一部として車両に設置することができる。

前記外部ケースは破裂膜を有することができる。この場合には、前記伝送用の装置をこの破裂膜の領域に配置することができる。破裂膜は、電池セル内部の体積変化により塑性変形するものとすることが可能である。体積変化が所定の体積変化を超えると、破裂膜は規定通りに破損することができ、この破損により、当該破裂膜に接している電池の外壁の損傷を防止することができる。前記破裂膜は、これに接している前記外壁の抵抗力より低い抵抗力を有することができる。したがって、電池セルの外壁を第１の壁材料から形成し、この第１の壁材料に中抜き部を設け、この中抜き部に、第２の壁材料から成る破裂膜を設置することができる。この場合には、前記破裂膜を嵌めた中抜き部を有する外壁により、前記外部ケースは構成される。

前記外部ケースは、前記伝送用の装置の領域内において電気絶縁性とすることができる。電気絶縁性の材料による、両伝送装置間の伝送の妨害は僅かのみであるか、または全く無い。たとえばプラスチックまたはセラミック等の電気絶縁性の材料により、誤差を生じさせることなく前記信号をそのまま直接伝送することができる。

前記外部ケースは、前記伝送用の装置の領域内において導電性とすることができる。前記外部ケースは前記信号と相互作用して、たとえば当該信号のパルスの向きを反転させることができる。前記外部ケースは、前記第１の伝送装置および第２の伝送装置から電気的に絶縁することができ、これにより、たとえば第１の伝送装置における電荷移動によって外部ケースに電荷移動を生じさせることができ、ひいてはこれにより、第２の伝送装置において電荷移動を生じさせることができる。また、第１の伝送装置が外部ケースにおいて渦電流を引き起こし、この渦電流が第２の伝送装置において電流を誘導することも可能である。

電池セル内部から情報を伝送する方法は、以下のステップを有する：
前記電池セルの外部ケースの内側に配置された第１の伝送装置を用いて、当該外部ケースを貫通するように形成された、前記情報を表す信号を出力するステップ。
前記外部ケースの外側に配置された第２の伝送装置を用いて前記信号を受信するステップ。

以下、添付の図面を一例として参照して、本発明を詳細に説明する。

本発明の１実施例の、情報を伝送するための装置を備えた電池セルを示す図である。 本発明の他の一実施例の、情報を伝送するための装置を備えた別の電池セルを示す図である。 本発明の１実施例の、情報を伝送するための装置を備えた別の電池セルを示す図である。 本発明の１実施例の、情報を伝送するための装置を備えた別の電池セルを示す図である。 本発明の一実施例の、電池セル内から情報を伝送する方法のフローチャートである。

以下の、本発明の有利な実施例の説明では、複数の異なる図において示された同様の機能の要素には同一または同様の符号を使用しており、これらの要素について繰り返し説明することは省略する。

図１は、本発明の１実施例の、情報を伝送するための装置１０２を備えた電池セル１００を示す図である。電池セルは外部ケース１０４を有し、この外部ケース１０４の断面は、たとえば方形である。

前記装置１０２は第１の伝送装置１０６と第２の伝送装置１０８とを有する。第１の伝送装置１０６は電池セル１００の外壁１０４の内側に設置されており、第２の伝送装置１０８は前記外壁１０４の外側に、第１の伝送装置１０６に対して直接対向するように配置されている。この実施例では伝送装置１０６，１０８は、電池セル１００の外壁１０４に密接する扁平なプレート状の部材として形成されている。両伝送装置１０６，１０８は外壁１０４から電気的に絶縁されており、両伝送装置１０６，１０８は相互に直流分離されるように設置されている。前記伝送装置１０６，１０８は、信号１１０を送受信するように構成されている。前記信号１１０は、外壁１０４を貫通するように形成される。前記外壁１０４は、少なくとも伝送装置１０６，１０８の領域においては穴を有さないように形成されている。

図２は、本発明の他の一実施例の、情報を伝送するための装置１０２を備えた別の電池セル１００を示す図である。電池セル１００および伝送装置１０２は、図１の電池セル１００のものに相当する。さらに、電池セル１００の外壁１０４は中抜き部を有し、この中抜き部に破裂膜２００が設置されている。この破裂膜２００は外壁１０４の他の部分より薄く、中抜き部の領域において電池セル１００の外面を成すように形成されている。このようにして破裂膜２００は、外壁１０４と当該破裂膜２００とから成り電池セル１００を包囲する外部ケースの一部となる。破裂膜２００は、弾性変形により、電池セル１００の内容物の体積変化を補償するように構成されている。この体積変化が過度に大きい場合には、前記破裂膜２００は破裂して、電池セル１００内の過圧を消失させるように構成されている。伝送装置１０６，１０８はこの破裂膜２００の外部において外壁１０４に設置されている。

図３は、本発明の他の一実施例の、情報を伝送するための装置１０２を備えた別の電池セル１００を示す図である。この電池セル１００は図２の電池セル１００に相当し、図２との相違点として、伝送装置１０２は破裂膜２００の領域に配置されている。よって、破裂膜２００は前記第１の伝送装置１０６と第２の伝送装置１０８との間に位置する。破裂膜２００は外壁１０４の他の部分より薄いので、図２に示した実施例と比較して、伝送される信号１１０に対する破裂膜２００の抵抗は低くなっている。

図１および２に示した実施例は組み合わせることができ、たとえば、電池セル１００は前記伝送装置１０２を２つ有することができ、両伝送装置１０２のうち一方は膜２００の領域に設置され、両伝送装置１０２のうち他方は外壁１０４の領域に設置される。

以下、図１〜３を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

伝送装置１０６，１０８は双方とも、電池セル１００の壁１０４，２００の任意の場所に設置することができ、また、電池セル１００の破裂膜２００に設置することもできる。

セル１００の内側に設置された伝送装置１０６と当該セル１００の外側に設置された伝送装置１０８とは、誘導結合または容量結合することができる。容量結合の場合、両伝送装置１０６，１０８をそれぞれ、平行平板コンデンサの各平板として形成することができる。

誘導結合の場合、両伝送装置１０６，１０８をそれぞれコイルとして形成することができる。伝送装置１０６，１０８は、壁１０４の任意の場所に取り付けるか、または、設置された破裂膜２００に取り付けることができる。この結合は、たとえばアルミニウム等の金属から成る導電性のセル壁１０４または導電性の破裂膜２００によって行うことができ、もしくは、セル壁１０４に嵌め込まれた非導電性の挿入物により、または、非導電性の破裂膜２００により行うことができる。非導電性の材料としては、たとえばプラスチックを用いることができる。

導電性の壁１０４または膜２００による容量伝送の場合、この伝送は電荷移動により行われる。伝送装置１０６，１０８に電圧を印加することにより、一方の面において当該伝送装置１０６，１０８は壁１０４または膜２００に電荷移動を生じさせ、この電荷移動により、第２の伝送装置１０８，１０６において検出可能な電荷移動が引き起こされる。伝送装置１０６と外側に設置された伝送装置１０８とが平行平板コンデンサを形成する。

導電性の壁１０４または膜２００を通って誘導結合を行う場合には、伝送装置１０６，１０８が磁界を生成し、この磁界により、壁１０４または膜２００に渦電流または逆磁界が生成される。

この逆磁界は第２の伝送装置１０６，１０８によって、コイルを用いて検出される。非導電性の壁１０４または膜２００を通って誘導結合を行う場合、両伝送装置１０６，１０８のコイルは直接的な誘導結合を成すことができる。

図４は、本発明の他の一実施例の伝送装置を備えた別の電池セル１００を示す図である。この伝送装置は、図１〜３にて説明した実施例と同様に構成および配置することができる。電池セル１００はセンサ４０６を有し、このセンサ４０６は電池セルの内部において、当該電池セル１００の外部ケースにより包囲された領域に配置されている。第１の伝送装置１０６と前記センサ４０６とは、たとえば電気的線路を介して結合されている。第１の伝送装置１０６をセンサ４０６の一部とすることができ、また、センサ４０６を第１の伝送装置１０６の一部とすることもできる。電池セル１００の外部に制御装置４０８が設置されており、第２の伝送装置１０８と前記制御装置４０８とは、たとえば電気的線路を介して結合されている。

センサ４０６から制御装置４０８へ情報を伝送するために、センサ４０６は情報を第１の伝送装置１０６へ伝送するように構成されている。第１の伝送装置１０６は、適切な伝送技術を用いて情報を信号に変換し、この信号を第２の伝送装置１０８へ送信するように構成されている。第２の伝送装置１０８は、信号を受信してそのまま制御装置４０８へ直接出力するか、または、適切な受信技術を用いて処理した情報信号として制御装置４０８へ出力するように構成されている。制御装置４０８は、情報を得るために、第２の伝送装置１０８から受信した信号または情報信号を処理するように構成されている。

制御装置４０８からさらに他の情報をセンサ４０６へ伝送するために、当該制御装置４０８は、この他の情報を第２の伝送装置１０８へ伝送するように構成されている。第２の伝送装置１０８は、適切な伝送技術を用いてこの他の情報を別の信号に変換し、この別の信号を第１の伝送装置１０６へ送信するように構成されている。第１の伝送装置１０６は、前記別の信号を受信してそのまま制御装置４０８へ直接出力するか、または、適切な受信技術を用いて処理した別の情報信号としてセンサ４０６へ出力するように構成されている。センサ４０６は、前記他の情報を得るために、第１の伝送装置１０６から受信した前記別の信号または前記別の情報信号を処理するように構成されている。

上述の伝送方法では、誘導結合または容量結合を利用してセンサ信号１１０を電池セル壁に貫通させて制御装置４０８へ伝送することができる。このことにより、電池セル１００の電圧値や温度値を外付けのセンサにより検出する必要がなくなる。これに代えて、内部に設置されるセンサ４０６を用いることが可能になる。

伝送装置１０６，１０８によってたとえば、電池セル１００内部に設置された少なくとも１つの前記センサ４０６により検出された測定値を、セル１００の壁に貫通させて制御装置４０８へ送信することができる。こうするためには、誘導式または容量式の伝送装置１０６，１０８を用いてデータをセル壁に貫通させて伝送する。

ここで開示した構成により、（高コストの）スルーホールをセル壁に形成する必要なく、センサ４０６を電池セル１００内部に配置することができる。１つの線路を介して、１つまたは複数の電池セル内に配置された多数のセンサ４０６の信号を制御装置４０８へ伝送することができる。センサ４０６が他の理由により、既に破裂膜に取り付けられている場合、この信号の伝送は特に低損失となる。

１つの実施例では、セル１００の内側においてセンサ１０６と伝送装置１０６とを別個の部品とし、たとえば、同一のボード上のケーブルまたは導体路によりこれら別個の部品を接続することができる。これに代えて択一的に、センサ４０６と伝送装置１０６とを１つのパッケージ内に組み込むことができ、また、同一のチップに集積することも可能である。外側では、伝送装置１０８を純粋な受動素子とすること、たとえばコイルまたは平板とすることができ、これを、制御装置４０８に繋がるケーブルに接続することができる。また、信号を増幅するために、伝送装置１０８とケーブルとの間に能動素子を配置することも可能である。これに代えて択一的に、明示的なの外部伝送部品を完全に省略することも可能である。この場合には、伝送装置１０８として、壁または破裂膜を通過するように適切な場所に１つのケーブルのみを敷設し、この１つのケーブルに伝送装置４０６の信号が直接入力されるようにすることが可能である。

複数のセル１００を有する電池の場合には、各セルの外側から制御装置４０８までそれぞれ個別のケーブルを設置する代わりに、制御装置４０８からすべてのセル１００まで繋がるケーブルを１つ使用し、この１つのケーブルにすべてのセンサ４０６の信号が入力されるようにすることも可能である。その際には、１つのケーブル上にてパラレル伝送を、たとえば複数の異なる搬送周波数で行うための転送プロトコルを使用することができる。

したがって１実施例では、１つの制御装置４０８に対して複数の電池セル１００を設けることができる。各電池セル１００はそれぞれ、少なくとも１つのセンサ４０６と少なくとも１つの伝送装置１０６とを有し、制御装置４０８に接続された１つの電気的伝送ケーブルを、前記複数の電池セル１００の外側に沿って敷設することができる。前記１つのケーブルの、各電池セル１００に位置する各部分はそれぞれ、外部の伝送装置１０８として機能する。この場合、これら複数の外部の伝送装置１０８は相互に直列接続されていることになる。

上記実施形態に代えて択一的に、前記複数の各電池セル１００はそれぞれ別個の伝送装置１０８を有することができる。これら各伝送装置１０８は、それぞれ別個の線路または別個の伝送区間を介して制御装置４０８に接続されている。

図５は、本発明の一実施例の、電池セル内から情報を伝送する方法５００のフローチャートである。この方法は、出力ステップ５０２と受信ステップ５０４とを有する。前記方法５００は、図１〜３に示したような装置上で実行することができる。

出力ステップ５０２では、伝送すべき情報を受け取り、当該情報を表す信号を生成し、電池セルの外壁の片側に配置された伝送装置を用いて当該信号を送信する。前記信号は、外壁を貫通するように形成される。受信ステップ５０４において、前記外壁の反対側に設置された別の伝送装置を用いて信号を受信し、当該信号を後続の処理に、たとえば制御装置へ出力する。

上述にて説明し図面に示した実施例は、単に一例として選択したものに過ぎず、複数の異なる実施例全体を相互に組み合わせること、または、これらの実施例の各特徴を相互に組み合わせることも可能である。また、いずれかの実施例にさらに別の実施例の一部の特徴を補足することも可能である。さらに、本発明の方法の各ステップを繰り返して実施することも、また、ここで記載した順序と異なる順序で実施することも可能である。

Claims (9)

1. 電気エネルギーを貯蔵するための電池セル（１００）であって、
   前記電池セル（１００）を包囲する外部ケース（１０４；２００）と、
   前記外部ケース（１０４；２００）に設置された、前記電池セル（１００）内から情報を伝送するための装置（１０２）と
   を有し、
   前記装置（１０２）は、
   前記外部ケース（１０４；２００）の内側に設けられており、かつ、前記情報を表す信号（１１０）を当該外部ケース（１０４；２００）に通過させるように出力する第１の伝送装置（１０６）と、
   前記外部ケース（１０４；２００）の外側に配置されており、かつ、前記第１の伝送装置（１０６）から直流分離されている、前記信号（１１０）を受信する第２の伝送装置（１０８）と
   を有し、
   前記外部ケース（１０４；２００）は破裂膜（２００）を有し、
   前記装置（１０２）は前記破裂膜（２００）の領域に配置されている
   ことを特徴とする電池セル（１００）。
2. 前記第１の伝送装置（１０６）および前記第２の伝送装置（１０８）はそれぞれ誘導式伝送装置として、またはそれぞれ容量式伝送装置として構成されている、
   請求項１記載の電池セル（１００）。
3. 前記両伝送装置（１０６，１０８）のうち一方はコイルであり、他方はダイポール素子もしくはコイルであるか、
   または、
   前記両伝送装置（１０６，１０８）は、平行平板コンデンサを構成する平板である、
   請求項２記載の電池セル（１００）。
4. 前記第２の伝送装置（１０８）は、別の情報を表す別の信号（１１０）を前記外部ケース（１０４；２００）に通過させるように出力するよう構成されており、
   前記第１の伝送装置（１０６）は、前記別の信号（１１０）を受信するように構成されている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の電池セル（１００）。
5. 前記第１の伝送装置（１０６）は前記外部ケース（１０４；２００）に直接取り付けられており、
   および／または、
   前記第２の伝送装置（１０８）は、前記外部ケース（１０４；２００）に直接取り付けられている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の電池セル（１００）。
6. 前記第１の伝送装置（１０６）は、前記外部ケース（１０４；２００）に向かう方向の第１の伝送領域を有し、前記第２の伝送装置（１０８）は当該第１の伝送領域内に配置されており、
   および／または、
   前記第２の伝送装置（１０８）は、前記外部ケース（１０４；２００）に向かう方向の第２の伝送領域を有し、前記第１の伝送装置（１０６）は当該第２の伝送領域内に配置されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の電池セル（１００）。
7. 前記外部ケース（１０４；２００）は前記装置（１０２）の領域において電気絶縁性である、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の電池セル（１００）。
8. 前記外部ケース（１０４；２００）は前記装置（１０２）の領域において導電性である、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の電池セル（１００）。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の電池セル（１００）内から情報を伝送する方法（５００）であって、
   前記電池セル（１００）の外部ケース（１０４；２００）の内側に設置された第１の伝送装置（１０６）を用いて、当該外部ケース（１０４；２００）を貫通するように形成された、前記情報を表す信号（１１０）を出力するステップ（５０２）と、
   前記外部ケース（１０４；２００）の外側に設置された第２の伝送装置（１０８）を用いて前記信号（１１０）を受信するステップ（５０４）と
   を有することを特徴とする方法（５００）。

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