WO2014075771A1 - Elektrochemischer energiespeicher mit datenübertragung, anordnung und verfahren - Google Patents

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WO2014075771A1
WO2014075771A1 PCT/EP2013/003321 EP2013003321W WO2014075771A1 WO 2014075771 A1 WO2014075771 A1 WO 2014075771A1 EP 2013003321 W EP2013003321 W EP 2013003321W WO 2014075771 A1 WO2014075771 A1 WO 2014075771A1
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housing
transmitter
antenna
electrochemical energy
outside
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PCT/EP2013/003321
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Inventor
Tim Schaefer
Detlef Dieball
Original Assignee
Li-Tec Battery Gmbh
Deutsche ACCUmotive GmbH & Co. KG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04Q—SELECTING
    • H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4278—Systems for data transfer from batteries, e.g. transfer of battery parameters to a controller, data transferred between battery controller and main controller
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Electrochemical energy storage with data transmission arrangement and method
  • the present invention relates to an electrochemical energy store with data transmission, in particular an operating on the basis of lithium-ion electrochemical energy storage and a method for data transmission in connection with an electrochemical
  • electrochemical energy storage such as a rechargeable battery or a rechargeable battery system.
  • the battery management takes place regularly with the help of so-called battery management systems.
  • No. 7,750,639 B2 discloses such a battery management system for large stationary batteries as are used, for example, for implementing so-called backup power.
  • the problem to be solved by the present invention is, as far as possible, to improve known technical solutions for the transmission of data between electrochemical energy storage devices and their environment. This task is performed by a product according to one of the independent
  • the invention provides an electrochemical energy storage, the one
  • the transmitter is adapted to emit messages containing data that has been or has been collected by at least one sensor located inside the case.
  • an electrochemical energy store is understood to mean a device which stores energy in chemical form and in electrical form to a consumer, i. to an energy sink.
  • Energy storage can also receive energy in electrical form from an energy source and store it in chemical form.
  • Electrochemical energy stores are individual galvanic cells or arrangements of several galvanic cells. The latter are also referred to as batteries, although this term is often used for individual galvanic cells.
  • Galvanic cells which are simply referred to as “cells” in the following, are used between primary cells and secondary cells
  • Primary cells are galvanic cells, which can not be recharged after discharge. Secondary cells, also known as rechargeable batteries or simply “rechargeable batteries” are galvanic cells that are after discharge can be recharged. In an accumulator, electrical energy is converted into chemical energy during charging. If a consumer is connected, the chemical energy is converted back into electrical energy.
  • An inventive electrochemical energy storage has a
  • Electrode assembly on Under an electrode assembly in the context of the invention is a device to understand, which in particular the
  • the electrode assembly is preferably configured to convert in particular stored chemical energy into electrical energy before the electrode assembly provides this electrical energy to a consumer.
  • Electrode assembly is also preferably designed to convert supplied electrical energy into chemical energy and store it as chemical energy.
  • the electrode assembly has at least two electrodes of different polarity (first and second electrodes according to the invention).
  • the electrodes of the electrode assembly each have a particular metallic collector foil and one or two active compositions.
  • the active compounds are preferably applied to the collector films on one side or on both sides.
  • Two active materials of different polarity are arranged on different surfaces of the collector foil and spaced by the collector foil.
  • the collector foil comprises the materials copper and / or aluminum.
  • one or more Ableitfahen are in particular cohesively connected to the collector foil, preferably integrally formed.
  • the electrode assembly is in particular via the Ableitfahen the electrodes with two Stromleit wornen different polarity in particular cohesively connected, which for electrically connecting the electrode assembly with at least one electrode assembly of an adjacent energy storage cell and / or at least indirectly the
  • the electrodes of different polarity of the electrode assembly are preferably spaced apart by a separator, wherein the separator is conductive for ions, but not or only slightly for electrons.
  • the separator contains at least part of the electrolyte or of the conductive salt.
  • the electrolyte is formed in particular after closing the energy storage cell substantially without a liquid portion.
  • the conductive salt comprises lithium ions.
  • lithium ions are stored or intercalated during charging into the negative electrode and are removed again during discharging.
  • an inventive electrochemical energy storage is in the form of an encapsulated galvanic cell or in the form of a
  • a galvanic cell or a plurality of galvanic cells is to
  • the or individual walls of the housing preferably contain films, particularly preferably metallic films, the
  • an antenna or a plurality of antennas is embedded in a foil or in a functional foil.
  • a completely or partially electrically conductive, particularly preferably a metallic foil is designed as an electrical connection contact of the electrochemical energy store.
  • a particularly simple electrical contacting individual energy storage within a battery of a plurality of energy storage is possible, which can preferably be effected by stacking a plurality of energy storage on top of each other or side by side.
  • a connection contact of the electrochemical energy store means an electrical conductor which is electrically conductively connected to one electrode or to a plurality of electrodes of one polarity and to the electrical connection of this electrode or electrodes to the external environment of the electrochemical
  • Energy storage measures and provides the measurement results in the form of preferably digital data to a transmitter, which also in the housing of the
  • At least one sensor is embedded in a separator material or on a surface of a
  • Such a sensor preferably measures the concentration (s) of one or more chemical species, such as ions, atoms or molecules, temperature, pressure, electric field strength, or other physical quantity in the environment of the sensor to characterize the operating state of the energy store.
  • concentration s
  • An operating parameter in the sense of the invention is to be understood as meaning a parameter or characteristic property, in particular of the secondary cell, which in particular
  • Secondary cell or its electrode assembly allows, and / or
  • a sensor can at least temporarily provide a signal, preferably an electrical voltage or an electric current, and / or
  • control device in particular a cell control device, in particular can be linked to a target value, in particular can be linked to another of the acquired operating parameters, and / or
  • the at least one sensor is configured to detect an operating parameter of the secondary cell, in particular of its electrode assembly, and to make it available to the cell control device.
  • the senor is configured as: voltage sensor, current sensor, temperature sensor or thermocouple, pressure sensor, sensor for a chemical substance, hereinafter referred to as "substance sensor", gas sensor,
  • Liquid sensor position sensor or accelerometer, wherein the Sensors or sensors in particular the detection of operating parameters of the secondary cell, in particular the electrode assembly are used.
  • At least one sensor is designed as an ion-selective electrode (ISE) (R.P. Buck and E. Lindner (1994).
  • ISE ion-selective electrode
  • Such sensors are also known to the person skilled in the art under the name "specific ion electrode” (SIE) .They convert the activity of a specific ion in solution into an electrical potential, which is measured by means of a voltmeter, galvanometer or with the aid of a
  • SIE specific ion electrode
  • a sensor in the form of a temperature sensor particularly preferably in the form of a temperature sensor designed as or
  • Such glass fibers provide the advantage that the temperature is measurable due to the small heat capacity of the glass fibers almost no time delay or Messträgheit. This is beneficial for one
  • a sensor or a transmitter is equipped with a data memory in which data can be stored that has been determined by the sensor or a sensor connected to the transmitter.
  • a sensor measures time series of data and stores these time series in the data memory so that the stored data from the sender to a message
  • a sensor is coupled with a transmitter and / or receiver on a single chip, i. realized on an integrated electronic circuit.
  • the size of said components can be significantly reduced and integration into a flat separator is additionally facilitated.
  • the antenna provided according to the invention also allows a transmitter arranged in the interior of the energy store to be wireless
  • Energy storage when this housing shields the interior of the energy storage against an externally applied electromagnetic field, for example because it has an electrically conductive, in particular metallic layer.
  • Such metallic layers may preferably be used as
  • Functional films may be configured, which has a functional layer which is at least partially electrically conductive and is electrically conductively connected to the at least one first electrode of the electrode assembly, and at least one electrical insulating layer which the first functional layer in the normal operating state of the energy storage cell in a layer direction of the functional film of the electrode assembly separates.
  • at least one antenna is designed such that it simultaneously serves as an electrical connection contact of the electrochemical energy store can serve.
  • the antenna is integrated in a wall of the housing.
  • the antenna has the shape of a film in or on the wall of the housing.
  • the antenna is electrically isolated from any other, not belonging to the antenna gehschreibenden electrically conductive regions of the housing wall.
  • the transmitter is an RFID tag or has an RFID tag, the signals of which can be read wirelessly via a reading device arranged outside the housing.
  • An RFID tag in the sense of the present invention is to be understood as an active or passive radio-frequency transponder. Passive transponders draw their energy from the electromagnetic field of a reader, which can also be a read-write device. Active transponders have their own power supply.
  • frequencies between 30 and 500 kHz are used in connection with the present invention.
  • frequencies between 3 and 30 MHz or between 100 MHz and 6 GHz are preferably used, depending on the circumstances of the application.
  • the transmitter is adapted to operate over one outside of
  • the energy is in this case as an externally applied electromagnetic field via an antenna of the
  • the transmitter with a transmitter housing or with a
  • the transmitter housing or coating preferably comprises a plastic material or a plurality of plastic materials which are chemically resistant enough to be able to exist in the chemically aggressive environment in the interior of an electrochemical cell.
  • the transmitter is preferably designed as a receiver and particularly preferably with a processor for processing, in particular for
  • the processor can also be part of a sensor.
  • the transmitter and / or receiver is preferably coupled galvanically or capacitively to an electrical conductor, which is electrically conductively connected to an antenna of the energy store.
  • this electrical conductor is a drain, current collector or any electrode of the energy store.
  • a method for the wireless transmission of data collected by at least one arranged inside a housing of an electrochemical energy sensor sensor data to a receiver disposed outside this housing by means of an arranged inside the housing transmitter for electromagnetic waves and at least one arranged on or on this housing antenna provided.
  • the transmitter is an RFID tag or has an RFID tag, the signals of which can be read wirelessly via a reading device arranged outside the housing.
  • the transmitter is also or exclusively supplied wirelessly via a reading device arranged outside the housing or a high-frequency generator.
  • a reading device arranged outside the housing or a high-frequency generator.
  • Such embodiments of the invention have the advantage that the transmitter can draw its energy partly or exclusively via an antenna of the energy store.
  • the transmitter can be designed in these cases so that an energy flow into the transmitter does not have to be made or only partly via its housing or connections, which are not identical to an electrical connection to an antenna of the energy storage.
  • Construction of the transmitter preferably a reduction in the number of
  • the transmitter is adapted to be supplied with energy also or exclusively via an energy source arranged in the interior of the housing.
  • the transmitter is preferably supplied with energy via an energy source arranged in the interior of the housing.
  • the sensor is galvanically connected with unlike electrodes of the energy store so that the transmitter can draw energy from the potential difference of these unlike electrodes and an associated current flow.
  • the energy flow in the transmitter is preferably small compared to the
  • one or more transmitters are also equipped with receivers or designed as receivers, so that a bidirectional Data exchange between devices inside the cell and facilities outside the cell is possible.
  • an arrangement is also provided for carrying out a method according to the invention using an electrochemical energy store according to the invention and a reading device arranged outside the housing.
  • this arrangement has one outside the housing
  • the high-frequency generator generates a high-frequency electromagnetic field, which can partially penetrate or penetrate into the interior of the energy store through an antenna of the energy store and can penetrate to the transmitter or penetrate.
  • the transmitter which is preferably configured as an RFID tag or preferably has an RFID tag, the high-frequency electromagnetic field received via the antenna is deprived of energy and provided for the operation of the transmitter.
  • the secondary cell has a charge capacity of at least 3 amp hours [Ah], more preferably of at least 5 Ah, more preferably of at least 10 Ah, more preferably of at least 20 Ah, more preferably of at least 50 Ah, further preferably of at least 100 Ah, more preferably of at least 200 Ah, more preferably of at most 500 Ah.
  • Ah charge capacity of at least 3 amp hours
  • the secondary cell can at least temporarily provide a voltage, in particular a terminal voltage of at least 1.2 V, more preferably of at least 1.5 V, more preferably of at least 2 V, more preferably of at least 2.5 V, further preferably of at least 3 V, more preferably of at least 3.5 V, more preferably of at least 4 V, more preferably of at least 4.5 V, more preferably of at least 5 V, further preferably of at least 5.5 V, further preferably of at least 6 V, more preferably of at least 6.5 V, more preferably of at least 7 V, more preferably of at most 7.5 V.
  • the secondary cell can at least temporarily provide a voltage, in particular a terminal voltage of at least 1.2 V, more preferably of at least 1.5 V, more preferably of at least 2 V, more preferably of at least 2.5 V, further preferably of at least 3 V, more preferably of at least 3.5 V, more preferably of at least 4 V, more preferably of at least 4.5 V, more preferably of at least 5 V, further preferably of at least
  • This embodiment offers the advantage of an improved energy density of the secondary cell.
  • the secondary cell can be operated at least temporarily, in particular for at least one hour at an ambient temperature between -40 ° C and 100 ° C, more preferably between -20 ° C and 80 ° C, more preferably between -10 ° C and 60 ° C. , more preferably between 0 ° C and 40 ° C.
  • This embodiment offers the advantage of a possible
  • the secondary cell has a gravimetric energy density of at least 50 Wh / kg, more preferably at least 100 Wh / kg, more preferably at least 200 Wh / kg, even more preferably less than 500 Wh / kg.
  • the electrode assembly comprises lithium ions. This embodiment offers the advantage of an improved energy density of the secondary cell.
  • the secondary cell is provided for installation in a vehicle with at least one electric motor.
  • the secondary cell is provided for supplying this electric motor.
  • the secondary cell is provided, at least temporarily
  • the secondary cell is intended for use in a stationary battery, in particular in one
  • Buffer storage as a device battery, industrial battery or starter battery.
  • the charging capacity of the secondary cell is for these reasons.
  • the electric motor The electric motor.
  • the at least one separator which is not or only poorly electron-conducting, consists of an at least partially permeable carrier.
  • the support is preferably coated on at least one side with an inorganic material.
  • As at least partially permeable carrier is preferably a
  • used organic material which is preferably designed as a non-woven fabric.
  • the organic material which preferably contains a polymer and more preferably a polyethylene terephthalate (PET), is with a
  • the coated inorganic, preferably ion-conducting material which is more preferably ion conducting in a temperature range of - 40 ° C to 200 ° C.
  • the inorganic material preferably contains at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosilicates with at least one of the elements Zr, Al, Li, especially preferably zirconium oxide.
  • zirconium oxide serves the material integrity
  • Nanoporosity and flexibility of the separator This preferably has
  • the at least one separator which is not or only poorly electron-conducting, but is conductive for ions, consists at least predominantly or completely of a ceramic, preferably of an oxide ceramic.
  • This embodiment offers the advantage that durability of the electrode assembly is improved at temperatures above 100 ° C.
  • Fig. 1 shows schematically an electrochemical energy storage
  • Fig. 2 shows schematically an electrochemical energy storage
  • Fig. 3 shows schematically an electrochemical energy storage
  • FIG. 1 The embodiment of the invention shown in Fig. 1 has a
  • electrochemical energy storage device 1 with a housing 2 through which the connection contacts 3 and 4 are led to the outside.
  • Terminal contacts 3 and 4 are also used as antennas.
  • Terminal contacts 3 and 4 are galvanic with electrodes 5 and 6 connected with unlike polarity.
  • a transmitter 7 is galvanically connected to the electrode 6.
  • a transmitter 8 is galvanically connected to the terminal contact 3.
  • a transmitter 9 is capacitive, that is connected to the electrode 5 via a capacitance 11. The capacitance 1 1 is dimensioned so that from the outside via the serving as an antenna terminal contact coupled high-frequency
  • Electromagnetic fields with sufficient efficiency over the capacity of the transmitter 9 are transmitted, and that of the transmitter 9 radiated or emitted high-frequency electromagnetic fields with sufficient
  • a transmitter 10 is capacitive, that is connected via a capacitor 12 to terminal 4.
  • the capacitance 12 is dimensioned such that high-frequency electromagnetic fields coupled in via the terminal serving as an antenna are transmitted from the outside over the capacitance to the transmitter 10 with sufficient efficiency, and that the transmitter 10 emits or emits high-frequency electromagnetic fields with sufficient efficiency via the capacitance outside, preferably arranged to one outside of the housing
  • Receivers are transmitted.
  • the present invention enables the wireless exchange of data from encapsulated electro-magnetic field impenetrable galvanic cells or batteries of galvanic cells via one or more terminals, preferably by means of one or more RFID tags.
  • a wireless data exchange can take place via a special area of a functional film or via an antenna which is embedded in a functional film.
  • Electronic sensors and / or data elements in galvanic cells require a data port for reading or writing data.
  • RFID tags can be buried and / or coated in a suitable manner so that they can be used inside the cell and thus offer the advantage that no wired access is needed for the data exchange.
  • galvanic cells are housed in metallic housings or packages, which preferably contain a metallic layer. This hinders or prevents the use of RFID tags as the transmitter, sensor and / or data element inside the cell. This one
  • described invention provides the ability to communicate inexpensively wireless with facilities inside the cell.
  • the transmitter preferably an RFID tag
  • the transmitter is preferably coupled galvanically or capacitively to a collector 3, 4 or any electrode 5, 6 of the cell.
  • the signal can be read contactlessly via the reader suitable for the RFID tag at the terminal outside the cell or at the bus bar of the cells contacted within the battery. If necessary, the signal can be filtered out or attenuated via filters in front of the battery terminals so that no internal information leaves the battery.
  • Several sensors and / or data elements within a cell or a plurality of cells equipped in this manner within a battery can transfer data via common network protocols (for example, with a collision-avoiding protocol).
  • Anti-collision methods are procedures that allow the RFID tags to communicate simultaneously while avoiding interference of several different signals. Anti-collision methods regulate compliance with the order of access of multiple transmitters to a shared resource for data transmission, for example, by randomly distributed transmission so that the receiver can individually read each transmitter. Preferably, one of four basic types of anticollision or multi-access methods is used: - Space Division Multiple Access (SDMA); Distances, range, antenna type and positioning are adjusted so that collisions can be avoided;
  • SDMA Space Division Multiple Access
  • Time Division Multiple Access (TDMA); Here, the access time is divided between the participants;
  • FDMA Frequency Division Multiple Access
  • CDMA Code Division Multiple Access
  • Frequency band can be used.
  • Preferred anti-collision methods in particular in the RFID area, are Slotted ALOHA, Adaptive Binary Tree and Slotted Terminal Adaptive Collection (STAC).
  • STAC Adaptive Binary Tree and Slotted Terminal Adaptive Collection
  • the inventive method can be used in a battery with RF impermeable or -damping housing to exchange data with the interior of the battery via a terminal 3, 4.
  • the reader is preferably contactlessly coupled via a terminal 3, 4 or the relevant connection line.
  • the RFID tags contained in the interior of the battery preferably couple capacitively or galvanically to the internal busbar in front of the battery terminal.
  • the RFID tag can, for. B. via the reader, an external RF generator, an internal source or from the electrochemical process of the cell to be powered.
  • a data stream can be transmitted out of the cell and into the cell via an RF modulation type to an in-cell electronic element with RFID tag-like receiving and
  • the embodiment of the invention shown in FIG. 2 has an electrochemical energy store 1 with a housing 2, through which the connection contacts 15 and 16 are led to the outside.
  • One of these terminals, the terminal 16 is also used as an antenna.
  • the connection contacts 15 and 16 are galvanically connected to electrodes 5 and 6 of opposite polarity.
  • a transmitter 7 is galvanically connected to the antenna 13.
  • a transmitter 9 is capacitive, that is connected to the antenna 14 via a capacitance 11.
  • the capacitance 1 1 is dimensioned such that high-frequency electromagnetic fields coupled from the outside via the antenna 14 are transmitted with sufficient efficiency via the capacitance to the transmitter 9, and that the radio-frequency electromagnetic fields radiated or emitted by the transmitter 9 reach the outside with sufficient efficiency , preferably arranged to one outside the housing
  • a transmitter 10 is capacitive, that is connected via a capacitor 12 with terminal 16, which also serves as an antenna.
  • the capacitance 12 is dimensioned such that high-frequency electromagnetic fields coupled in via the terminal serving as antenna 16 are transmitted from the outside over the capacitance to the transmitter 10 with sufficient efficiency, and that the radio-frequency electromagnetic fields radiated or emitted by the transmitter 10 reach the capacity with sufficient efficiency are transmitted to the outside, preferably to a receiver arranged outside the housing.
  • FIG. 3 The embodiment of the invention shown in Fig. 3 has a
  • connection contacts 15 and 16 are galvanically connected to electrodes 5 and 6 of opposite polarity.
  • a transmitter 8 is galvanically connected to the antenna 13.
  • a transmitter 10 is capacitive, that is connected via a capacitor 12 to the antenna 14.
  • the capacitance 12 is dimensioned such that high-frequency electromagnetic fields coupled from the outside via the antenna 14 are transmitted with sufficient efficiency via the capacitance to the transmitter 10, and that the radio-frequency electromagnetic fields radiated or emitted by the transmitter 10 with sufficient efficiency via the capacitance to the outside, preferably be transferred to a receiver disposed outside the housing.

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Abstract

Ein elektrochemischer Energiespeicher (1) weist ein Gehäuse (2) auf, an oder auf welchem wenigstens eine Antenne (3, 4, 13, 14) angeordnet und mit einem Sender (7, 8, 9, 10) für elektromagnetische Wellen im Inneren des Gehäuses verbunden ist. Der Sender ist dazu eingerichtet, Nachrichten auszusenden, die Informationen über Signale wenigstens eines Sensors enthalten, der im Inneren des Gehäuses angeordnet ist.

Description

Elektrochemischer Energiespeicher mit Datenübertragung, Anordnung und Verfahren
B e s c h r e i b u n g
Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 2012 022 266.1 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher mit Datenübertragung, insbesondere einen auf der Grundlage von Lithium-Ionen arbeitenden elektrochemischen Energiespeicher sowie ein Verfahren zur Datenübertragung im Zusammenhang mit einem elektrochemischen
Energiespeicher und eine Anordnung zur Durchführung eines solchen
Verfahrens.
Die Übertragung von Daten zwischen elektrochemischen Energiespeichern und ihrer Umgebung spielt unter anderem eine wichtige Rolle beim sogenannten Batteriemanagement, also bei der Überwachung und Regelung
elektrochemischer Energiespeicher, beispielsweise einer nachladbaren Batterie oder eines Akkumulatorsystems. Das Batteriemanagement erfolgt dabei regelmäßig mit Hilfe sogenannter Batteriemanagementsysteme. Die US
7,750,639 B2 offenbart ein solches Batteriemanagementsystem für große stationäre Batterien wie sie beispielsweise zur Realisierung sogenannter unterbrechungsfreier Stromversorgungen (backup power) verwendet werden. Die durch die vorliegende Erfindung zu lösende Aufgabe ist es, bekannte technische Lösungen zur Übertragung von Daten zwischen elektrochemischen Energiespeichern und ihrer Umgebung nach Möglichkeit zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Erzeugnis nach einem der unabhängigen
Erzeugnisansprüche bzw. durch ein Verfahren nach einem der unabhängigen Verfahrensansprüche gelöst. Die Unteransprüche sollen vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung unter Schutz stellen. Die Erfindung sieht einen elektrochemischen Energiespeicher vor, der ein
Gehäuse aufweist, an oder auf welchem wenigstens eine Antenne angeordnet und mit einem Sender für elektromagnetische Wellen im Inneren des Gehäuses verbunden ist. Der Sender ist dazu eingerichtet, Nachrichten auszusenden, die Daten enthalten, die durch wenigstens einen Sensor erhoben werden oder wurden, der im Inneren des Gehäuses angeordnet ist.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll unter einem elektrochemischen Energiespeicher eine Einrichtung verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern und in elektrischer Form an einen Verbraucher, d.h. an eine Energiesenke, abgeben kann. Ein wieder aufladbarer elektrochemischer
Energiespeicher kann darüber hinaus Energie in elektrischer Form von einer Energiequelle entgegennehmen und in chemischer Form speichern.
Elektrochemische Energiespeicher sind einzelne galvanische Zellen oder Anordnungen mehrerer galvanischer Zellen. Letztere werden auch als Batterien bezeichnet, wenngleich dieser Begriff häufig auch für einzelne galvanische Zellen verwendet wird.
Bei den galvanischen Zellen, die im Folgenden einfach auch als„Zellen" bezeichnet werden, wird zwischen Primärzellen und Sekundärzellen
unterschieden. Als Primärzellen werden galvanische Zellen bezeichnet, die nach der Entladung nicht wieder aufgeladen werden können. Sekundärzellen, auch Akkumulatoren oder einfach„Akku" genannt sind galvanische Zellen, die nach der Entladung wieder aufgeladen werden können. In einem Akkumulator wird beim Aufladen elektrische Energie in chemische Energie gewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurück gewandelt.
Ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiespeicher weist eine
Elektrodenbaugruppe auf. Unter einer Elektrodenbaugruppe im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere der
Bereitstellung elektrischer Energie dient. Die Elektrodenbaugruppe ist vorzugsweise ausgestaltet, insbesondere gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie zu wandeln, bevor die Elektrodenbaugruppe diese elektrische Energie einem Verbraucher zur Verfügung stellt. Die
Elektrodenbaugruppe ist vorzugsweise auch ausgestaltet, zugeführte elektrische Energie in chemische Energie zu wandeln und als chemische Energie zu speichern. Man spricht dann auch von einer wiederaufladbaren
Elektrodenbaugruppe.
Die Elektrodenbaugruppe weist zumindest zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität (erste und zweite Elektroden im Sinne der Erfindung) auf.
Vorzugsweise weisen die Elektroden der Elektrodenbaugruppe jeweils eine insbesondere metallische Kollektorfolie sowie eine oder zwei Aktivmassen auf. Die Aktivmassen sind vorzugsweise auf die Kollektorfolien einseitig oder beidseitig aufgetragen. Zwei Aktivmassen unterschiedlicher Polarität sind auf verschiedenen Flächen der Kollektorfolie angeordnet und durch die Kollektorfolie beabstandet.
Beim Laden oder Entladen der Elektrodenbaugruppe werden Elektronen zwischen der Kollektorfolie und der/den Aktivmasse(n) ausgetauscht.
Vorzugsweise weist die Kollektorfolie die Materialen Kupfer und/oder Aluminium auf. Vorzugsweise sind mit der Kollektorfolie eine oder mehrere Ableiterfahnen insbesondere stoffschlüssig verbunden, bevorzugt einstückig ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Elektrodenbaugruppe insbesondere über die Ableiterfahnen der Elektroden mit zwei Stromleiteinrichtungen unterschiedlicher Polarität insbesondere stoffschlüssig verbunden, welche zur elektrischen Verbindung der Elektrodenbaugruppe mit zumindest einer Elektrodenbaugruppe einer benachbarten Energiespeicherzelle und/oder zumindest mittelbar der
elektrischen Verbindung mit Batterieanschlüssen dienen.
Die Elektroden unterschiedlicher Polarität der Elektrodenbaugruppe sind vorzugsweise durch einen Separator beabstandet, wobei der Separator für Ionen leitfähig ist, aber nicht oder nur kaum für Elektronen. Vorzugsweise enthält der Separator zumindest einen Teil des Elektrolyten bzw. des Leitsalzes.
Vorzugsweise ist der Elektrolyt insbesondere nach dem Verschließen der Energiespeicherzelle im Wesentlichen ohne flüssigen Anteil ausgebildet.
Vorzugsweise weist das Leitsalz Lithiumionen auf. Besonders bevorzugt werden Lithiumionen beim Laden in die negative Elektrode eingelagert bzw. interkaliert und beim Entladen wieder ausgelagert.
Vorzugsweise liegt ein erfindungsgemäßer elektrochemischer Energiespeicher in Form einer gekapselten galvanischen Zelle oder in der Form eines
gekapselten Aggregates aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen vor. Unter einer gekapselten galvanischen Zelle bzw. einem gekapselten Aggregat aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine galvanische Zelle bzw. eine Mehrzahl von galvanischen Zellen zu
verstehen, bei denen ein Gehäuse, das in der Fachsprache gelegentlich auch als Verpackung („bag" oder„coffee bag") bezeichnet wird, den elektrochemisch aktiven Teil des elektrochemischen Energiespeichers von der Außenwelt gegen
Umwelteinflüsse oder gegen den Austausch von Energie oder Materie ganz oder teilweise abschirmt. Die oder einzelne Wände des Gehäuses enthalten vorzugsweise Folien, besonders vorzugsweise metallische Folien, die
vorzugsweise auch bereichsweise in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind. Einige oder eine dieser Folien sind bzw. ist vorzugsweise eine
Funktionsfolie für oder mit einem speziellen Bereich für den Datenaustausch. Vorzugsweise ist eine Antenne oder einer Mehrzahl von Antennen in eine Folie oder in eine Funktionsfolie eingebettet.
Vorzugsweise ist eine ganz oder bereichsweise elektrisch leitende, besonders vorzugsweise eine metallische Folie als elektrischer Anschlusskontakt des elektrochemischen Energiespeichers ausgestaltet. Hierdurch ist in einigen Anwendungsfällen eine besonders einfache elektrische Kontaktierung einzelner Energiespeicher innerhalb einer Batterie von mehreren Energiespeichern möglich, die vorzugsweise durch Stapeln einer Mehrzahl von Energiespeichern übereinander oder nebeneinander bewirkt werden kann.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem Anschlusskontakt des elektrochemischen Energiespeichers ein elektrischer Leiter zu verstehen, der elektrisch leitend mit einer Elektrode oder mit einer Mehrzahl von Elektroden einer Polarität verbunden und zur elektrischen Verbindung dieser Elektrode oder Elektroden mit der äußeren Umgebung des elektrochemischen
Energiespeichers vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist im Gehäuse des Energiespeichers wenigstens ein
vorzugsweise elektronischer Sensor angeordnet, der Betriebsparameter des
Energiespeichers misst und die Messergebnisse in Form vorzugsweise digitaler Daten einem Sender zur Verfügung stellt, der ebenfalls im Gehäuse des
Energiespeichers angeordnet ist. Vorzugsweise ist wenigstens ein Sensor in ein Separatormaterial eingebettet oder auf einer Oberfläche eines
Separatormaterials angeordnet. Ein derartiger Sensor misst vorzugsweise die Konzentration(en) einer oder mehrerer chemischer Spezies wie Ionen, Atome oder Moleküle, die Temperatur, den Druck, die elektrische Feldstärke oder eine andere zur Charakterisierung des Betriebszustandes des Energiespeichers geeignete physikalische Größe in der Umgebung des Sensors. Unter einem Betriebsparameter im Sinne der Erfindung ist eine Kenngröße bzw. charakteristische Eigenschaft insbesondere der Sekundärzelle zu verstehen, welche insbesondere
einen Rückschluss auf einen erwünschten Betriebszustand der
Sekundärzelle bzw. deren Elektrodenbaugruppe ermöglicht, und/oder
einen Rückschluss auf einen insbesondere ungeplanten bzw.
unerwünschten Betriebszustand der Sekundärzelle bzw. deren
Elektrodenbaugruppe ermöglicht, und/oder
durch einen Sensor feststellbar ist, wobei der Sensor zumindest zeitweise ein Signal zur Verfügung stellen kann, vorzugsweise eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom, und/oder
von einer Steuereinrichtung, insbesondere einer Zellsteuereinrichtung, verarbeitet werden kann, insbesondere mit einem Zielwert verknüpft werden kann, insbesondere mit einem anderen der erfassten Betriebsparameter verknüpft werden kann, und/oder
Aufschluss ermöglicht über die Zellspannung, den Zellstrom, die
Zelltemperatur, den Innendruck der Zelle, die Integrität, das Freiwerden einer Substanz aus der Elektrodenbaugruppe, das Vorliegen einer Fremdsubstanz insbesondere aus der Umgebung der Sekundärzelle und/oder den Ladezustand, und/oder
eine Überführung der Sekundärzelle in einen anderen Betriebszustand nahe legen kann.
Der wenigstens eine Sensor ist ausgestaltet, einen Betriebsparameter der Sekundärzelle, insbesondere von deren Elektrodenbaugruppe zu erfassen und der Zellsteuereinrichtung zur Verfügung zu stellen.
Vorzugsweise ist der Sensor ausgestaltet als: Spannungsfühler, Stromfühler, Temperaturfühler bzw. Thermoelement, Drucksensor, Sensor für einen chemischen Stoff, nachfolgend„Stoffsensor" genannt, Gassensor,
Flüssigkeitssensor, Lagesensor oder Beschleunigungssensor, wobei die Sensoren bzw. Fühler insbesondere der Erfassung von Betriebsparametern der Sekundärzelle, insbesondere der Elektrodenbaugruppe dienen.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Sensor als Ionen-selektive Elektrode (ion- selective electrode, ISE) ausgestaltet (R.P. Buck and E. Lindner (1994).
"Recommendations for nomenclature of ion-selective electrodes", Pure & App. Chem. 66 (12): 2527-2536. Doi: 10.1351 /päd 99466122527. A. J. Bard and L. Faulkner (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York: Wiley. ISBN 978-0-471 -04372-0. Eric Bakker and Yu Qin (2006). "Electrochemical sensors". Anal. Chem. 78 (12): 3965-3984.
doi:10.1021/ac060637m. PMC 2883720. PMID 16771535. (Review article). D.W. Rieh, B. Grigg, and G.H. Snyder, (2006) "Determining ammonium and nitrate using a gas sensing ammonia electrode." Soil and Crop Science Society of Florida (Proceedings, Vol. 65):1 -4). Solche Sensoren sind dem Fachmann auch unter der Bezeichnung„spezifische Ionen-Elektrode" (specific ion electrode, SIE) bekannt. Sie wandeln die Aktivität eines spezifischen Ions in Lösung in ein elektrisches Potential um, welches mit Hilfe eines Voltmeters, Galvanometers oder mit Hilfe eines pH-Messgerätes gemessen werden kann. Vorzugsweise ist ein Sensor in Form eines Temperatursensors, besonders vorzugsweise in Form einer als Temperatursensor ausgebildeten bzw.
betreibbaren Glasfaser oder in Form einer Mehrzahl solcher Glasfasern ausgestaltet. Derartige Glasfasern verschaffen den Vorteil, dass die Temperatur aufgrund der kleinen Wärmekapazität der Glasfasern nahezu ohne zeitliche Verzögerung bzw. Messträgheit messbar ist. Dies ist vorteilhaft für ein
zeitaufgelöstes Überwachen der Betriebstemperatur des Akkumulators und zum Ableiten einer Stellgröße für ein Batteriemanagementsystem, insbesondere einen Laderegler. Aufgrund der geringen Abmessung einer Glasfaser kann diese auch sehr genau an einer solchen Position positioniert werden, wo die
insbesondere kurzzeitigen Temperaturänderungen besonders ausgeprägt sind. Vorzugsweise ist ein Sensor oder ein Sender mit einem Datenspeicher ausgestattet, in dem Daten gespeichert werden können, die der oder ein mit dem Sender verbundener Sensor ermittelt hat. Vorzugsweise misst ein Sensor Zeitreihen von Daten und speichert diese Zeitreihen in dem Datenspeicher ab, damit die gespeicherten Daten von dem Sender zu einer Nachricht
zusammengefasst werden und über ein Antenne des erfindungsgemäßen Energiespeichers ausgesendet werden können, vorzugsweise zu einer Zeit, in der für die Datenübertragung besonders günstige Bedingungen herrschen. Vorzugsweise ist ein Sensor zusammen mit einem Sender und oder Empfänger auf einem einzigen Chip, d.h. auf einem integrierten elektronischen Schaltkreis realisiert. Hierdurch kann die Baugröße der genannten Bauteile erheblich verringert werden und eine Integration in einen flächigen Separator wird zusätzlich erleichtert.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Antenne ermöglicht einem im Inneren des Energiespeichers angeordneten Sender auch dann eine drahtlose
Kommunikation mit einem Empfänger außerhalb des Gehäuses des
Energiespeichers, wenn dieses Gehäuse das Innere des Energiespeichers gegen ein von außen einwirkendes elektromagnetisches Feld abschirmt, beispielsweise weil es eine elektrisch leitende, insbesondere metallische Schicht aufweist. Solche metallischen Schichten können vorzugsweise als
Funktionsfolien ausgestaltet sein, die eine Funktionsschicht aufweist, welche zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgebildet ist und elektrisch leitend mit der wenigstens einen ersten Elektrode der Elektrodenbaugruppe verbunden ist, und wenigstens eine elektrische Isolierschicht, welche die erste Funktionsschicht im Normalbetriebszustand der Energiespeicherzelle in einer Schichtrichtung der Funktionsfolie von der Elektrodenbaugrupp trennt. Vorzugsweise ist wenigstens eine Antenne so ausgestaltet, dass sie gleichzeitig als elektrischer Anschlusskontakt des elektrochemischen Energiespeichers dienen kann. Durch diese Maßnahme kann der Aufbau eines erfindungsgemäßen Energiespeichers besonders einfach gehalten werden.
Vorzugsweise ist die Antenne in eine Wand des Gehäuses integriert. Besonders vorzugsweise weist die Antenne die Gestalt einer Folie in oder auf der Wand des Gehäuses auf. Vorzugsweise ist die Antenne elektrisch von gegebenenfalls vorhandenen anderen, nicht zur Antenne gehöhrenden elektrisch leitenden Bereichen der Gehäusewand isoliert. Vorzugsweise ist der Sender ein RFID-Tag oder weist ein RFID-Tag auf, dessen Signale über eine außerhalb des Gehäuses angeordnete Leseeinrichtung drahtlos gelesen werden können. Unter einem RFID-Tag im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein aktiver oder passiver Radio-Frequenz- Transponder zu verstehen. Passive Transponder beziehen ihre Energie aus dem elektromagnetischen Feld eines Lesegerätes, das auch ein Schreib-Lesegerät sein kann. Aktive Transponder verfügen über eine eigene Energieversorgung.
Für Reichweiten unterhalb eines Meters werden dabei vorzugsweise Frequenzen zwischen 30 und 500 kHz im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet. Für höhere Reichweiten kommen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von den Umständen der Anwendung vorzugsweise Frequenzen zwischen 3 und 30 MHz oder zwischen 100 MHz und 6 GHz zum Einsatz. Vorzugsweise ist der Sender dazu eingerichtet, über eine außerhalb des
Gehäuses angeordnete Leseeinrichtung oder einen Hochfrequenzgenerator drahtlos mit Energie versorgt zu werden. Die Energie wird in diesem Fall als von außen einwirkendes elektromagnetisches Feld über eine Antenne des
Energiespeichers eingekoppelt. Auf diese Weise kann sie den Sender und den mit dem Sender verbundenen Sensor auch dann erreichen, wenn das Gehäuse des Energiespeichers für elektromagnetische Felder undurchdringlich ist. Vorzugsweise ist der Sender mit einem Sendergehäuse oder mit einer
Beschichtung versehen, die einen Einsatz des Senders im Inneren einer elektrochemischen Zelle ermöglicht. Das Sendergehäuse oder die Beschichtung umfassen dabei vorzugsweise ein Kunststoffmaterial oder eine Mehrzahl von Kunststoffmaterialien, die chemisch widerstandsfähig genug sind, um in der chemisch aggressiven Umgebung im Inneren einer elektrochemischen Zelle bestehen zu können. Vorzugsweise weist das Sendergehäuse oder die
Beschichtung Glas, Keramik, Polyethylen oder eine Kombination aus diesen Materialien auf.
Der Sender ist vorzugsweise auch als Empfänger ausgestaltet und besonders vorzugsweise mit einem Prozessor zur Verarbeitung, insbesondere zur
Kompression, Dekompression und/oder Verschlüsselung und/oder
Entschlüsselung von Daten ausgestattet. Auf diese Weise ist es möglich, die übertragenen Daten gegen Spionage und/oder Sabotage zu schützen, insbesondere wenn die übertragenen Daten mit einer digitalen Signatur versehen werden, was vorzugsweise mit Hilfe eines asymmetrischen
Kryptoverfahrens durchgeführt wird. Der Prozessor kann auch Bestandteil eines Sensors sein.
Der Sender und/oder Empfänger wird vorzugsweise galvanisch oder kapazitiv an einen elektrischen Leiter gekoppelt, der elektrisch leitend mit einer Antenne des Energiespeichers verbunden ist. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem elektrischen Leiter um einen Abieiter, Stromkollektor oder um eine beliebige Elektrode des Energiespeichers.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von durch wenigstens einen im Inneren eines Gehäuses eines elektrochemischen Energiespeichers angeordneten Sensor erhobenen Daten an einen außerhalb dieses Gehäuses angeordneten Empfänger mit Hilfe eines im Inneren des Gehäuses angeordneten Senders für elektromagnetische Wellen und wenigstens einer an oder auf diesem Gehäuse angeordneten Antenne vorgesehen.
Vorzugsweise ist der Sender ein RFID-Tag oder weist ein RFID-Tag auf, dessen Signale über eine außerhalb des Gehäuses angeordnete Leseeinrichtung drahtlos gelesen werden können.
Vorzugsweise wird der Sender auch oder ausschließlich über eine außerhalb des Gehäuses angeordnete Leseeinrichtung oder einen Hochfrequenzgenerator drahtlos mit Energie versorgt. Derartige Ausführungsformen der Erfindung sind mit dem Vorteil verbunden, dass der Sender seine Energie zum Teil oder ausschließlich über eine Antenne des Energiespeichers beziehen kann. Der Sender kann in diesen Fällen so ausgestaltet sein, dass ein Energiefluss in den Sender nicht oder nur zum Teil über sein Gehäuse oder über Anschlüsse erfolgen muss, die nicht mit einem elektrischen Anschluss an eine Antenne des Energiespeichers identisch sind. Hiermit sind Vereinfachungen bei der
Konstruktion des Senders, vorzugsweise eine Verringerung der Zahl der
Anschlüsse möglich. Vorzugsweise ist der Sender dazu eingerichtet ist, auch oder ausschließlich über eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Energiequelle mit Energie versorgt zu werden. Vorzugsweise wird der Sender über eine im Inneren des Gehäuses angeordnete Energiequelle mit Energie versorgt wird. Vorzugsweise ist der Sensor galvanisch mit ungleichnamigen Elektroden des Energiespeichers so verbunden, dass der Sender aus der Potentialdifferenz dieser ungleichnamigen Elektroden und einem damit verbundenen Stromfluss Energie beziehen kann. Der Energiefluss in den Sender ist dabei vorzugsweise klein gegen den
Energiefluss aus dem Energiespeicher in die von dem Energiespeicher versorgte externe Energiesenke.
Vorzugsweise ist ein Sender oder sind mehrere Sender auch mit Empfängern ausgerüstet oder als Empfänger ausgestaltet, so dass ein bidirektionaler Datenaustausch zwischen Einrichtungen im Inneren der Zelle und Einrichtungen außerhalb der Zelle möglich ist.
Erfindungsgemäß ist außerdem eine Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers und einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Leseeinrichtung vorgesehen.
Vorzugsweise weist diese Anordnung einen außerhalb des Gehäuses
angeordneten Hochfrequenzgenerator auf. Der Hochfrequenzgenerator erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, welches durch eine Antenne des Energiespeichers teilweise in das Innere des Energiespeichers eindringt oder eindringen kann und bis zum Sender vordringt oder vordringen kann. Im Sender, der vorzugsweise als RFID-Tag ausgestaltet ist oder vorzugsweise einen RFID- Tag aufweist, wird dem über die Antenne empfangenen hochfrequenten elektromagnetischen Feld Energie entzogen und zum Betrieb des Senders bereitgestellt.
Vorzugsweise weist die Sekundärzelle eine Ladekapazität von mindestens 3 Amperestunden [Ah] auf, weiter bevorzugt von mindestens 5 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 10 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 20 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 50 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 100 Ah, weiter bevorzugt von mindestens 200 Ah, weiter bevorzugt von höchstens 500 Ah. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten
Betriebsdauer des von der Sekundärzelle versorgten Verbrauchers.
Vorzugsweise kann der Sekundärzelle zumindest zeitweise, vorzugsweise während zumindest einer Stunde, ein Strom von mindestens 50 A entnommen werden, weiter bevorzugt von mindestens 100 A, weiter bevorzugt von
mindestens 200 A, weiter bevorzugt von mindestens 500 A, weiter bevorzugt von höchstens 1000 A. Diese Ausgestaltung bietet den Vortejl einer
verbesserten Leistungsfähigkeit des von der Sekundärzelle versorgten
Verbrauchers.
Vorzugsweise kann die Sekundärzelle zumindest zeitweise eine Spannung, insbesondere eine Klemmenspannung von mindestens 1 ,2 V bereitstellen, weiter bevorzugt von mindestens 1 ,5 V, weiter bevorzugt von mindestens 2 V, weiter bevorzugt von mindestens 2,5 V, weiter bevorzugt von mindestens 3 V, weiter bevorzugt von mindestens 3,5 V, weiter bevorzugt von mindestens 4 V, weiter bevorzugt von mindestens 4,5 V, weiter bevorzugt von mindestens 5 V, weiter bevorzugt von mindestens 5,5 V, weiter bevorzugt von mindestens 6 V, weiter bevorzugt von mindestens 6,5 V, weiter bevorzugt von mindestens 7 V, weiter bevorzugt von höchstens 7,5 V. Besonders bevorzugt weist die
Sekundärzelle Lithium und/oder Lithiumionen auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Energiedichte der Sekundärzelle. Vorzugsweise kann die Sekundärzelle zumindest zeitweise, insbesondere während zumindest einer Stunde bei einer Umgebungstemperatur zwischen -40 °C und 100 °C betrieben werden, weiter bevorzugt zwischen -20 °C und 80 °C, weiter bevorzugt zwischen -10 °C und 60 °C, weiter bevorzugt zwischen 0 °C und 40 °C. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer möglichst
uneingeschränkten Aufstellung bzw. Verwendung der Sekundärzelle zur
Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder einer stationären Anlage bzw. Maschine.
Vorzugsweise weist die Sekundärzelle eine gravimetrische Energiedichte von mindestens 50 Wh/kg, weiter bevorzugt von mindestens 100 Wh/kg, weiter bevorzugt von mindestens 200 Wh/kg, weiter bevorzugt von weniger als 500 Wh/kg auf. Vorzugsweise weist die Elektrodenbaugruppe Lithium-Ionen auf. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Energiedichte der Sekundärzelle. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundärzelle zum Einbau in ein Fahrzeug mit zumindest einem Elektromotor vorgesehen. Vorzugsweise ist die Sekundärzelle zur Versorgung dieses Elektromotors vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Sekundärzelle vorgesehen, zumindest zeitweise einen
Elektromotor eines Antriebsstrangs eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zu versorgen. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten
Versorgung des Elektromotors.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sekundärzelle zum Einsatz in einer stationären Batterie vorgesehen, insbesondere in einem
Pufferspeicher, als Gerätebatterie, Industriebatterie oder Starterbatterie.
Vorzugsweise beträgt die Ladekapazität der Sekundärzelle für diese
Anwendungen mindestens 3 Ah, besonders bevorzugt mindestens 10 Ah. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer verbesserten Versorgung eines
stationären Verbrauchers, insbesondere eines stationär montierten
Elektromotors.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht der zumindest eine Separator, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend ist, aus einem zumindest teilweise stoffdurchlässigen Träger. Der Träger ist vorzugsweise auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als wenigstens teilweise stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein
organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist.
Das organische Material, welches vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET) enthält, ist mit einem
anorganischen, vorzugsweise ionenleitenden Material beschichtet, welches weiter vorzugsweise in einem Temperaturbereich von - 40° C bis 200° C ionenleitend ist. Das anorganische Material enthält bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, AI, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Insbesondere Zirkonoxid dient der Stoffintegrität,
Nanoporösität und Flexibilität des Separators. Bevorzugt weist das
anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Beständigkeit der Elektrodenbaugruppe bei Temperaturen oberhalb 100°C verbessert ist.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform besteht der zumindest eine Separator, welcher nicht oder nur schlecht elektronenleitend, für Ionen aber leitfähig ist, zumindest überwiegend bzw. vollständig aus einer Keramik, vorzugsweise aus einer Oxidkeramik. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Beständigkeit der Elektrodenbaugruppe bei Temperaturen oberhalb 100°C verbessert ist.
Im Folgenden wir die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe der Figuren näher beschrieben.
Dabei zeigt
Fig. 1 in schematischer Weise einen elektrochemischen Energiespeicher
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 in schematischer Weise einen elektrochemischen Energiespeicher
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 in schematischer Weise einen elektrochemischen Energiespeicher
gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen
elektrochemischen Energiespeicher 1 auf mit einem Gehäuse 2, durch welches die Anschlusskontakte 3 und 4 nach außen geführt sind. Beide
Anschlusskontakte 3 und 4 werden auch als Antennen verwendet. Die
Anschlusskontakte 3 und 4 sind galvanisch mit Elektroden 5 und 6 ungleichnamiger Polarität verbunden. Ein Sender 7 ist galvanisch mit der Elektrode 6 verbunden. Ein Sender 8 ist galvanisch mit dem Anschlusskontakt 3 verbunden. Ein Sender 9 ist kapazitiv, also über eine Kapazität 1 1 mit der Elektrode 5 verbunden. Die Kapazität 1 1 ist so dimensioniert, dass von außen über den als Antenne dienenden Anschlusskontakt eingekoppelte hochfrequente
elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität zum Sender 9 übertragen werden, und dass vom Sender 9 abgestrahlte oder ausgesandte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender
Effizienz über die Kapazität nach außen, vorzugsweise zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Empfänger übertragen werden. Ein Sender 10 ist kapazitiv, also über eine Kapazität 12 mit Anschlusskontakt 4 verbunden. Die Kapazität 12 ist so dimensioniert, dass von außen über den als Antenne dienenden Anschlusskontakt eingekoppelte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität zum Sender 10 übertragen werden, und dass vom Sender 10 abgestrahlte oder ausgesandte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität nach außen, vorzugsweise zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten
Empfänger übertragen werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den drahtlosen Datenaustausch aus gekapselten, für elektromagnetische Felder undurchdringlichen galvanischen Zellen oder Batterien von galvanischen Zellen über ein oder mehrere Terminals vorzugsweise mittels eines oder mehreren RFID-Tags.
Dazu alternativ oder in Kombination damit kann ein drahtloser Datenaustausch über einen speziellen Bereich einer Funktionsfolie erfolgen oder über eine Antenne, die in eine Funktionsfolie eingebettet ist.
Elektronische Sensorik und bzw. oder Datenelemente in galvanischen Zellen benötigen einen Datenport zum Lesen bzw. Schreiben von Daten. Insbesondere RFID-Tags lassen sich in geeigneter Art einhausen und bzw. oder beschichten, so dass sie im Zellinnern eingesetzt werden können und bieten so den Vorteil, dass für den Datenaustausch kein drahtgebundener Zugang benötigt wird. Unter anderen wegen häufig hoher Anforderungen an die Dichtigkeit der Zellen, insbesondere ihrer Gehäuse sind galvanische Zellen in metallischen Gehäusen bzw. Verpackungen, die vorzugsweise eine metallische Schicht enthalten, gehaust. Diese erschwert oder verhindert den Einsatz von RFID-Tags als, Sender, Sensor und/oder Datenelement im Innern der Zelle. Die hier
beschriebene Erfindung bietet die Möglichkeit kostengünstig drahtlos mit Einrichtungen im Inneren der Zelle zu kommunizieren.
Der Sender, vorzugsweise ein RFI D-Tag wird dazu vorzugsweise galvanisch oder kapazitiv an einen Abieiter 3, 4 oder eine beliebige Elektrode 5, 6 der Zelle angekoppelt. Das Signal kann über den für den RFID-Tag geeigneten Reader am Terminal außerhalb der Zelle bzw. am Bus-Bar der innerhalb der Batterie kontaktierten Zellen kontaktlos gelesen werden. Bei Bedarf kann das Signal über Filter vor den Batterieterminals herausgefiltert bzw. gedämpft werden, so dass keine interne Information die Batterie verlässt. Mehrere Sensoren und / oder Datenelemente innerhalb einer Zelle bzw. mehrere derart ausgerüstetete Zellen innerhalb einer Batterie können über gängige Netzwerkprotokolle (z. B. mit einem Kollisionen vermeidenden Protokoll) Daten transferieren.
Antikollisionsverfahren sind von Prozeduren, die den RFID-Tags ermöglichen, gleichzeitig zu kommunizieren, wobei eine Interferenz mehrerer verschiedener Signale vermieden werden soll. Antikollisionsverfahren regeln die Einhaltung der Reihenfolge bzw. Abstände des Zugriffs mehrerer Sender auf eine gemeinsam genutzte Ressource zu Datenübertragung, beispielsweise durch zufällig verteiltes Senden, so dass der Empfänger jeden Sender einzeln auslesen kann. Vorzugsweise wird eine von vier Grundarten von Antikollisions- oder Multi- Zugangsverfahren verwendet: - Space Division Multiple Access (SDMA); Abstände, Reichweite, Antennenart und Positionierung werden so eingestellt, dass Kollisionen vermieden werden können;
- Time Division Multiple Access (TDMA); hierbei wird die Zugangszeit zwischen den Teilnehmern aufgeteilt;
- Frequency Division Multiple Access (FDMA); hierbei werden verschiedene Frequenzen verwendet;
- Code Division Multiple Access (CDMA); hierbei kann ein gemeinsames
Frequenzband verwendet werden.
Es können auch Kombinationen aus solchen Verfahren eingesetzt werden. Bevorzugte Antikollisionsverfahren, insbesondere im RFID-Bereich sind Slotted ALOHA, Adaptive Binary Tree und Slotted Terminal Adaptive Collection (STAC). In entsprechender Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Batterie mit HF-undurchlässigem oder -dämpfenden Gehäuse eingesetzt werden, um Daten mit dem Inneren der Batterie über ein Terminal 3, 4 auszutauschen. Dazu wird der Reader über ein Terminal 3, 4 bzw. der betreffenden Anschlussleitung vorzugsweise kontaktlos gekoppelt. Die im Innern der Batterie enthaltenen RFID-Tags koppeln vorzugsweise kapazitiv oder galvanisch an die interne Busbar vor dem Batterie-Terminal.
Das RFID-Tag kann z. B. über den Reader, einen externen HF-Generator, eine interne Quelle oder aus dem elektrochemischen Prozess der Zelle mit Energie versorgt werden.
Analog diesem Verfahren kann ein Datenstrom aus der Zelle und in die Zelle übertragen werden, über eine HF-Modulationsart an ein in der Zelle eingebautes elektronisches Element mit RFID-Tag ähnlichen Empfangs- und
Sendeeinrichtungen. Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen elektrochemischen Energiespeicher 1 auf mit einem Gehäuse 2, durch welches die Anschlusskontakte 15 und 16 nach außen geführt sind. Einer dieser Anschlusskontakte, der Anschlusskontakt 16 wird auch als Antenne verwendet. Die Anschlusskontakte 15 und 16 sind galvanisch mit Elektroden 5 und 6 ungleichnamiger Polarität verbunden. Ein Sender 7 ist galvanisch mit der Antenne 13 verbunden.
Ein Sender 9 ist kapazitiv, also über eine Kapazität 1 1 mit der Antenne 14 verbunden. Die Kapazität 1 1 ist so dimensioniert, dass von außen über die Antenne 14 eingekoppelte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität zum Sender 9 übertragen werden, und dass vom Sender 9 abgestrahlte oder ausgesandte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität nach außen, vorzugsweise zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten
Empfänger übertragen werden. Ein Sender 10 ist kapazitiv, also über eine Kapazität 12 mit Anschlusskontakt 16 verbunden, der gleichzeitig als Antenne dient. Die Kapazität 12 ist so dimensioniert, dass von außen über den als Antenne dienenden Anschlusskontakt 16 eingekoppelte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität zum Sender 10 übertragen werden, und dass vom Sender 10 abgestrahlte oder ausgesandte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität nach außen, vorzugsweise zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Empfänger übertragen werden.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen
elektrochemischen Energiespeicher 1 auf mit einem Gehäuse 2, durch welches die Anschlusskontakte 15 und 16 nach außen geführt sind. Keiner dieser Anschlusskontakte wird auch als Antenne verwendet. Die Anschlusskontakte 15 und 16 sind galvanisch mit Elektroden 5 und 6 ungleichnamiger Polarität verbunden. Ein Sender 8 ist galvanisch mit der Antenne 13 verbunden. Ein Sender 10 ist kapazitiv, also über eine Kapazität 12 mit der Antenne 14 verbunden. Die Kapazität 12 ist so dimensioniert, dass von außen über die Antenne 14 eingekoppelte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität zum Sender 10 übertragen werden, und dass vom Sender 10 abgestrahlte oder ausgesandte hochfrequente elektromagnetische Felder mit ausreichender Effizienz über die Kapazität nach außen, vorzugsweise zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Empfänger übertragen werden.
Die folgende Liste der verwendeten Bezugszeichen ist Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung:
1 Elektrochemischer Energiespeicher
2 Gehäuse, Wand des Gehäuses
3 Antenne, Anschlusskontakt
4 Antenne, Anschlusskontakt
5 positive Elektrode
6 negative Elektrode
7 Sender
8 Sender
9 Sender
10 Sender
1 1 Kapazität
12 Kapazität
13 Antenne
14 Antenne
15 Anschlusskontakt
16 Anschlusskontakt

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Elektrochemischer Energiespeicher (1 ), aufweisend ein Gehäuse (2), an oder auf welchem wenigstens eine Antenne (3, 4, 13, 14) angeordnet und mit einem Sender (7, 8, 9, 10) für elektromagnetische Wellen im Inneren des Gehäuses (2) verbunden ist, wobei der Sender (7, 8, 9, 10) dazu eingerichtet ist, Nachrichten auszusenden, die Daten enthalten, die durch wenigstens einen Sensor erhoben werden oder wurden, der im Inneren des Gehäuses (2) angeordnet ist.
Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antenne (3, 4) so ausgestaltet ist, dass sie gleichzeitig als elektrischer Anschlusskontakt (3, 4) des elektrochemischen Energiespeichers (1 ) dienen kann.
Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3, 4, 13, 14) in eine Wand (2) des Gehäuses integriert ist und vorzugsweise die Gestalt einer Folie in oder auf der Wand des Gehäuses (2) aufweist.
Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (7, 8, 9, 10) ein RFID-Tag ist oder ein RFID-Tag aufweist, dessen Signale über eine außerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Leseeinrichtung drahtlos gelesen werden können.
5. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (7, 8, 9, 10) dazu eingerichtet ist, über eine außerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Leseeinrichtung oder einen Hochfrequenzgenerator drahtlos mit Energie versorgt zu werden.
Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (7, 8, 9, 10) dazu eingerichtet ist, über eine im Inneren des Gehäuses (2) angeordnete Energiequelle mit Energie versorgt zu werden.
Verfahren zur drahtlosen Übertragung von durch wenigstens einen im Inneren eines Gehäuses eines elektrochemischen Energiespeichers (1 ) angeordneten Sensor erhobenen Daten an einen außerhalb dieses Gehäuses angeordneten Empfänger mit Hilfe eines im Inneren des Gehäuses angeordneten Senders (7, 8, 9, 10) für elektromagnetische Wellen und wenigstens einer an oder auf diesem Gehäuse angeordneten Antenne (3, 4, 13, 14).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antenne (3, 4) so ausgestaltet ist, dass sie gleichzeitig als elektrischer Anschlusskontakt (3, 4) des elektrochemischen
Energiespeichers (1 ) dienen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antenne (3, 4, 13, 14) in eine Wand des Gehäuses (2) integriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3, 4, 13, 14) die Gestalt einer Folie in oder auf der Wand des Gehäuses (2) aufweist. 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sender ein RFID-Tag ist oder ein RFID-Tag aufweist, dessen Signale über eine außerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Leseeinrichtung drahtlos gelesen werden können.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass der Sender (7, 8, 9, 10) über eine außerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Leseeinrichtung oder einen
Hochfrequenzgenerator drahtlos mit Energie versorgt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (7, 8, 9, 10) über eine im Inneren des Gehäuses (2) angeordnete Energiequelle mit Energie versorgt wird.
14. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der
Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch einen elektrochemischen Energiespeicher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine außerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Leseeinrichtung.
15. Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Hochfrequenzgenerator.
PCT/EP2013/003321 2012-11-13 2013-11-05 Elektrochemischer energiespeicher mit datenübertragung, anordnung und verfahren WO2014075771A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261725521P 2012-11-13 2012-11-13
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