WO2016131709A1 - Batteriezelle für eine batterie eines kraftfahrzeugs, batterie sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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battery
sensor device
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Berthold Hellenthal
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Audi AG
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cell for a battery of a motor vehicle with a galvanic element, a battery cell housing, at least two sensor devices for detecting a physical and / or chemical property of the battery cell and a communication device, wherein the galvanic element is disposed within the battery cell housing.
  • the invention also relates to a battery and a motor vehicle.
  • a galvanic element is usually arranged in each case in a battery cell housing.
  • a plurality of battery cells can be connected together to form a battery.
  • These batteries are used today especially as traction batteries in motor vehicles, for example in electric or hybrid vehicles, for driving the motor vehicles.
  • the batteries in motor vehicles When using the batteries in motor vehicles, however, they must meet certain requirements.
  • the traction batteries can provide several hundred volts, special security measures must be taken, for example, to avoid endangering people.
  • a high availability of the battery must be ensured. This availability depends in particular on a degree of damage or aging of the battery. Since the battery cells due to manufacturing fluctuations in their capacity and in their internal resistance, they are charged and discharged at different rates usually. This can lead to damage to the battery when individual cells, for example, deep discharge or overloaded.
  • a battery cell according to the invention for a battery of a motor vehicle comprises a galvanic element, a battery cell housing, at least two sensor devices for detecting a physical and / or chemical property of the battery cell and a communication device, wherein the galvanic element is arranged within the battery cell housing.
  • first sensor device and the communication device are coupled via a first signal path for transmitting signals between the first sensor device and the communication device
  • the first sensor device and the second sensor device are coupled via a second signal path for transmitting signals between the first and the second sensor device.
  • the signals between the communication device and the second sensor device are interchangeable via a third signal path formed by the first and the second signal path.
  • the galvanic element is designed in particular as a secondary cell, which can be discharged to supply an electrical component and can be recharged after the discharge.
  • the galvanic element comprises in a conventional manner two electrodes and an electrolyte.
  • the Galvanic element is arranged in the battery cell housing.
  • the battery cell housing can be designed as a two-part aluminum housing, wherein the two parts can be welded together "gas-tight" after integration of the galvanic element or the battery cell coil, whereby the galvanic element can be electrically insulated from the battery cell housing
  • the battery cell housing For supplying an electrical component with an electrical voltage provided by the battery cell and / or for charging the battery cell and / or for interconnecting the battery cell with another battery cell, the battery cell housing has two in particular exposed battery terminals or battery terminals, wherein each one battery terminal is electrically connected to one electrode of the galvanic element.
  • the sensor devices are used for detecting physical and / or chemical properties of the battery cell.
  • the sensor devices or sensors can be designed as so-called microelectromechanical systems (MEMS).
  • the sensors may, for example, be configured as at least one of the following sensors: vibration sensor, acceleration sensor, gyroscope, temperature sensor, force sensor, pressure sensor, bending sensor, strain sensor, displacement sensor, inclination sensor, distance sensor, proximity sensor, optical sensor, for example optical sensor, light sensor, UV sensor , Color sensor, IR sensor, in particular a NDIR (non-dispersive infrared) sensor, spectrum sensor, level sensor, for example, to measure the level of the electrolyte, sensor for conductivity measurement, for example, to measure the conductivity of the electrolyte, sensor for particle detection for Detecting free, moving molecules, atoms or elementary particles, sensor for current measurement, magnetic field sensor, Hall sensor, sensor for voltage measurement, gas sensor, for example for the gas composition within the battery cell, electrochemical sensor, for example for the chemical composition of
  • a sensor for detecting an insulation resistance or for testing the insulation between the battery cell housing and the galvanic element may be provided. Such a sensor can also be referred to as insulation monitor.
  • the sensor devices can be arranged inside or outside the battery cell housing.
  • the communication device may include a controller and is configured to communicate bidirectionally with the sensor devices. For this purpose, sensor data detected by the sensor devices can be sent as signals to the communication device and received by the latter.
  • the communication device can send control signals to the sensor devices. It can also be provided that the communication device, for example via a wireless connection, communicates with a higher-level battery management system and / or with a communication device of another battery cell.
  • the communication device can be arranged within the battery cell housing or else outside the battery cell housing.
  • the first sensor device, the second sensor device and the communication device are network nodes of a network topology, for example of a meshed network, wherein the communication device is the central network node or communication node.
  • the communication device can communicate directly with the first sensor device via the first signal path, that is to say without a signal path which leads via another network node.
  • the communication device can communicate indirectly with the second sensor device, ie via the third signal path, which leads via the first sensor device.
  • the first and the second sensor device can communicate with each other via the second signal path.
  • the communication or the exchange of signals can be carried out continuously or at defined time intervals. However, it can also be provided that signals are exchanged only at one event, for example when a predetermined threshold value is exceeded. Thus, it may be provided that the sensor devices designed, for example, as temperature sensors only send a signal via the respective signal path to the communication device, if the detected temperature exceeds a predetermined maximum temperature value.
  • a so-called intelligent network or smart mesh is formed in which the communication device can be advantageously informed as the higher-level network node about the state of each of the sensor devices.
  • the communication device can act as so-called routers, wherein that sensor device which is coupled via a direct signal path with the communication device, the signal can pass on to another sensor device and thus a coupling link between see the communication device and the other Sensor device represents.
  • all the sensor devices can be arranged in a chain, at the end of which the communication device is arranged. The signal of a sensor device, which is arranged at the beginning of the chain, can be forwarded by the sensor device via all subsequent sensor devices to the communication device.
  • a particularly flexible communication network is provided, which can be extended as desired by further network nodes, for example in the form of sensor devices. If, for example, a direct signal path between two network nodes, for example for reasons of space, within the battery cell housing, is not possible, an indirect signal path can advantageously be provided via another network node.
  • the communication device and the second sensor device are coupled via at least one fourth signal path for transmitting signals between the second sensor device and the communication device, signals between the second sensor device and the communication device via the third signal path and / or via the at least one fourth Signal path are transferable.
  • the network comprising the at least two sensor devices and the communication device is then referred to as a so-called fully meshed Network trained.
  • all network nodes can communicate with one another via a direct signal path and via at least one indirect signal path.
  • the second sensor device and the communication device via the fourth signal path directly and / or indirectly communicate with each other via the third signal path.
  • the first sensor device and the communication device can communicate directly with one another via the first signal path and / or indirectly via the second and fourth signal paths.
  • a network configured as a fully-meshed network is designed to be particularly secure due to the redundancy since at least two signal paths are provided for the signal transmission between the individual network nodes.
  • a particularly high network availability can be provided with very low power consumption.
  • the sensor devices designed as network nodes and the communication device each have an energy conversion device which is designed to provide electrical energy for supplying power to the respective network node from a signal sent by another network node.
  • Signals are physical quantities in which one or more parameters carry information.
  • the energy conversion devices are thus designed to use the physical size of the received signal to supply power to the respective network node.
  • the energy conversion device is designed in particular to convert a non-electrical physical variable into an electrical variable. This is also referred to as energy harvesting or energy harvesting. In the present case, this means that advantageously not only information but also energy is transmitted to the energy supply via the signal paths.
  • an electrical signal which has as a physical quantity, for example, a current or a voltage and in which the information is transported, for example, in a frequency or phase of the current or voltage
  • the energy conversion devices are now adapted to the current strength or the voltage of the received signal the provide respective network nodes for power supply.
  • the energy conversion devices designed as solar sensors are designed to supply the lightwaves to electrical energy of the network node.
  • the magnetic wave for example with an energy conversion device designed as a receiver coil, can be converted into an electrical voltage for supplying the respective network node.
  • the signal transmitted via the respective signal path can be used both for energy exchange and for information exchange.
  • the network nodes do not have to be supplied with electrical energy by the galvanic element itself.
  • the battery cell has a power supply device for supplying the at least two sensor devices.
  • the first sensor device and the energy supply device are coupled via a first energy flow path for transmitting energy from the energy supply device to the first sensor device, and the first and the second sensor device are coupled via a second energy transfer path for transmitting energy from the first sensor device to the second sensor device ,
  • energy can be transmitted from the energy supply device to the second sensor device via a third energy flow path formed by the first and the second energy flow path.
  • the sensor devices and the energy supply device also form a network whose network topology can be configured as already described in connection with the network having the sensor devices and the communication device for exchanging signals. Energy can therefore be supplied directly to the first sensor device via the first energy flow path.
  • Energy can be supplied to the second sensor device indirectly via the third energy flow path, which leads via the first sensor device.
  • the first sensor device acts as a temporary energy store for temporarily storing the energy provided by the energy supply device for the second sensor device.
  • the communication device can be supplied with energy by the energy supply device.
  • At least a fourth energy flow path is formed between the energy supply device and the second sensor device, wherein energy can be transmitted via the third energy flow path and / or via the at least one fourth energy flow path from the energy supply device to the second sensor device.
  • each sensor device is configured as an energy buffer for the energy provided by the energy supply device for another sensor device.
  • the energetically most advantageous path from the energy supply device to the respective sensor device can be calculated by the communication device for each sensor device.
  • the sensor device can be supplied with the energy provided by the energy supply device either via a direct energy flow path or via an indirect energy flow path. This results in the advantage that the network is designed particularly energy-efficient.
  • a further embodiment of the invention provides that at least one energy flow path and / or at least one signal path for the line-bound transmission of the energy and / or the signals has a line.
  • a line can be, for example, an electrical line for transmitting energy and / or signals in the form of electrical current and electrical voltage.
  • Such electrical lines can be configured, for example, as flexible conductor tracks, via which the network nodes within the battery cell housing are electrically connected to one another.
  • the lines are formed as glass fibers or optical waveguides for transmitting optical quantities, for example light waves. Conductors designed as optical waveguides allow a particularly fast signal exchange between the network nodes.
  • the battery cell housing may have feedthroughs for the leads.
  • at least one energy flow path and / or at least one signal path for contactless transmission of the energy and / or the signals in the form of light waves is configured. Signals and / or energy may, for example, be transmitted in the form of flashes of light emitted by a network node and / or the power supply device are sent out and received by another network node.
  • the light flashes can advantageously be reflected on an inner side of the wall of the battery cell housing, distributed in the interior of the battery cell housing and made available to the other network nodes, which have, for example, a solar sensor.
  • signals and / or energy can also be transmitted inductively, for example.
  • a battery cell housing made of an electrically conductive material behaves like a Faraday cage. That is to say that the battery cell housing forms an envelope which is closed on all sides and consists of an electrical conductor, for example a sheet metal or wire mesh, which acts as an electrical shield. In external static or quasistatic fields, the inner region remains field-free. In temporally variable processes, such as electromagnetic waves, the shielding effect is based on the eddy currents forming in the conductive shell, which counteract the external electromagnetic field.
  • the network nodes and / or the energy supply device are coupled to the battery cell housing in order to transmit energy and / or signals in the form of sound waves to the battery cell housing and to receive the sound waves transmitted by the battery cell housing.
  • the network nodes and / or the power supply device can, for example, have a vibration actuator which generates an excitation in the form of a sound wave on the battery cell housing. This sound wave is transmitted via the battery cell housing and can be received, for example, from a vibration sensor of another network node.
  • the battery cell housing can be dispensed with separate lines in an advantageous manner.
  • the sound wave may further be converted into electrical energy for power supply based on the piezoelectric effect, and / or information transmitted from the sound wave may be extracted.
  • the invention also includes a battery having a series connection and / or parallel connection of at least two battery cells according to the invention.
  • a motor vehicle according to the invention comprises at least one battery according to the invention.
  • the motor vehicle may be designed, for example, as a passenger car, in particular as an electric or hybrid cars.
  • the motor vehicle can also be designed as an electrically operated motorcycle or bike.
  • the battery in a stationary energy storage system. It can be provided, for example, that the battery, which was provided in a motor vehicle, is reused as a so-called Second Life battery in the stationary energy storage system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery cell, in which sensor devices and a communication device of the battery cell form a meshed network
  • Figs. 2-8 show examples of such and other network topologies.
  • the exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention.
  • the described components of the embodiment in each case represent individual features of the invention, which are to be considered independently of one another, and in each case also independently of one another. form and thus individually or in any other than the combination shown to be regarded as part of the invention.
  • the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
  • the 1 shows a battery cell 1 with a galvanic element 2 or a battery cell winding and a battery cell housing 3.
  • the galvanic element 2 is arranged in the battery cell housing 3.
  • the battery cell housing 3 may be made of aluminum, for example.
  • the battery cell housing 3 has here two exposed or raised terminals 4, 5, via which electrical energy, for example, for supplying an electrical component, can be tapped off.
  • the battery cell 1 via the terminals 4, 5 electrical energy can be supplied to the store.
  • the battery cell 1 can also be interconnected with other similar battery cells to form a battery.
  • Such a battery can be arranged for example in a motor vehicle, not shown here, for driving the motor vehicle. However, such a battery can also be provided in a stationary power supply system, not shown here.
  • the battery cell 1 has a first sensor device 6, a second sensor device 7, a third sensor device 8 and a fourth sensor device 9. It is also possible to provide more than the four sensor devices 6, 7, 8. 9 shown here by way of example.
  • the battery cell 1 has a communication device 10 and a power supply device 1 1.
  • the spatial arrangement shown here of the sensor devices 6, 7, 8, 9, the communication device 10 and the power supply device 1 1 is merely exemplary.
  • the first and second sensor devices 6, 7 are arranged here in a cavity, which is present between an inner side of a wall of the battery cell housing 3 and the galvanic element 2.
  • the third and the fourth sensor device 8, 9 are arranged here within the battery cell coil.
  • the sensor devices 6, 7, 8, 9 preferably have a chemical resistance to the electrolyte, so that during operation of the sensor devices 6, 7, 8, 9 does not cause functional limitations of the sensor devices 6, 7, 8, 9.
  • the sensor devices 6, 7, 8, 9, the communication device 10 and / or the power supply device 1 1 at least partially outside the battery cell, for example, on an outer side of the wall of the battery cell housing between the terminals 4, 5, are attached.
  • the first sensor device 6 is coupled to the communication device 10 via a first signal path 12 and coupled to the second sensor device 7 via a second signal path 13.
  • the second sensor device 7 is coupled to the communication device 10 via a third signal path, which is formed by the first signal path 12 and the second signal path 13, and via a fourth signal path 14.
  • the first sensor device 6, the second sensor device 7 and the communication device 10 thus form a fully meshed network in which a signal exchange between the network nodes, which are formed by the sensor devices 6, 7 and the communication device 10, directly and / or via another network node possible is.
  • the third sensor device 8 is here coupled via a fifth signal path 15 to the communication device 10, via a sixth signal path 16 to the first sensor device 6 and via a seventh signal path 17 to the fourth sensor device 9.
  • a signal exchange between the third sensor device 8 and the communication device 10 is possible directly via the fifth signal path 15 and / or indirectly via an overall path formed by the sixth and the first signal path 12, 16.
  • the communication device 10, the first sensor device 6 and the third sensor device 8 also form a fully meshed network here.
  • a signal exchange between the fourth sensor device 9 and the communication device 10 is possible here only indirectly via an overall path formed by the seventh and fifth signal paths 17, 15.
  • the communication device 10, the third and the fourth sensor device 8, 9 form here a so-called line topology.
  • the network topology shown here which is formed by the networking of the sensor devices 6, 7, 8, 9 and the communication device 10, is merely exemplary. Examples of such or other topologies are shown in FIGS. 2 to 8, wherein a point 24 exemplarily represents a network node, for example one of the sensor devices 6, 7, 8, 9 or the communication device 10, and a connection 25 exemplifies a signal path between the network nodes.
  • 2 shows a ring topology, FIG. 3 a meshed topology, FIG. 4 a star topology, FIG. 5 a fully meshed topology, FIG. 6 a line topology, FIG. 7 a tree topology, and FIG a bus topology.
  • so-called hybrid topologies are possible, which are formed by a combination of two topologies.
  • each of the sensor devices 6, 7, 8, 9 may each have an energy conversion device 18 which is designed to convert the signal transmitted via the respective signal path 12, 13, 14, 15, 16 into electrical energy for supplying the respective sensor device 6, 7 To convert 8, 9.
  • the energy conversion devices 18 are designed as so-called energy harvesting sensors or energy harvesting sensors. Energy harvesting refers to the extraction of small amounts of electrical energy from sources such as ambient temperature, vibrations or air currents.
  • the structures used for this purpose, ie the energy conversion devices 18, are also called nanogenerators. Energy Harvesting avoids limitations in wired technologies, such as wired or separate or separate batteries.
  • Such nanogenerators can be, for example, piezoelectric crystals which generate an electrical voltage upon application of force, for example by pressure, vibration or sound, and / or thermoelectric generators and pyroelectric crystals, which gain electrical energy from temperature differences, and / or antennas, in particular passive RFIDs, which absorb energy from radio waves or electromagnetic radiation and use energy, and / or sensors that convert light based on the photoelectric effect into electrical energy.
  • the battery cell 1 can also have so-called supercapacitors (“supercaps”), which are designed to store energy for a short time in order to supply them to the network node for energy supply be supplied to the motor vehicle.
  • Supercapacitors have the advantage that they can store large amounts of energy and are designed for a high number of charge and discharge cycles.
  • the signal exchange between the sensor devices 6, 7, 8, 9 and the communication device 10 can be carried out continuously, at predetermined times or only if the respective sensor device 6, 7, 8, 9 a change of the sensor value, for example designed as a temperature sensor Sensor means 6, 7, 8, 9, the change in temperature within the battery cell housing 3, detected.
  • the sensor device 6, 7, 8, 9 can only send a signal to the communication device 10 and / or another sensor device 6, 7, 8, 9 if the sensor device 6, 7, 8, 9 detects a significant change in the temperature Has.
  • the temperature change can be used for obtaining energy even in the event of a slight change of the temperature several times, in that the energy conversion devices 18 are designed, for example, as thermoelectric generators.
  • This energy can also be temporarily stored in the sensor devices 6, 7, 8, 9, for example.
  • tolerance bands can be specified, wherein a sensor value lying outside the tolerance band indicates a significant temperature change. Only in the case of a sensor value outside the tolerance range is a data transfer, for example to the communication device 10, carried out. Thus, energy can be saved both on the transmitter side and on the receiver side.
  • the signal exchange within the battery cell 1 can also take place by means of radio waves and inductive fields.
  • data and the required amounts of energy for the corresponding sensor devices 6, 7, 8, 9 can be exchanged or applied within the battery cell 1.
  • the sensor devices may comprise passive and / or active RFID transponders and / or RFID readers, which send and / or receive data and energy in a confined space with little energy consumption. If necessary, the data sent can be encrypted using encryption methods.
  • At least one of the signal paths 12, 13, 14, 15, 16 is designed as a line, for example as an electrical line or optical fiber, and thus the signals are wired be transmitted.
  • the signal paths 12, 13, 14, 15, 16 can be identical or different.
  • the energy for powering the sensor devices 6, 7, 8, 9 can also be provided by the power supply device 11.
  • the energy supply device 11 is coupled to the first sensor device 6 via a first energy flow path 19.
  • the first sensor device 6 is coupled to the second sensor device 7 via a second energy flow path 20.
  • the second sensor device 7, the energy of the power supply device 1 1 can be provided via a third energy flow path formed by the first and the second energy flow path 19, 20.
  • the second sensor device 7 is additionally coupled via a fourth energy flow path 21 to the power supply device 1 1 and directly supplied with this via electrical energy.
  • the fourth sensor device 9 is coupled to the energy supply device 11 via a fifth energy flow path 22.
  • the third sensor device 8 is coupled to the energy supply device 11 via a total energy flow path formed by the fifth energy flow path 22 and a sixth energy flow path 23.
  • the power supply can be done by wire, for example, by a micro-cabling inside the battery cell 1 is attached.
  • a micro-cabling inside the battery cell 1 is attached.
  • flexible films, multi-layer films, or flexible printed circuit boards can be used, which can be accurately integrated into the Batte- riezellgephase 3.
  • the foils can also be fastened directly to the battery cell coil or else outside the battery cell 1, for example between the terminals 4 and 5, and ensure reliable energy distribution within the cell.
  • networking and the associated redundant energy flow paths for example the supply of the first sensor device 6 Via the first energy flow path 19 and / or via the third energy flow path, a stable energy supply of the network nodes can be ensured.
  • the energy from the power supply device 1 1 can be transmitted wirelessly.
  • energy can be obtained by means of piezoelectric effects via the battery cell housing 3 itself.
  • the power supply device 1 for example, a vibration actuator, which deliberately generates an excitation on the battery cell housing 3.
  • This energy can be harvested from the sensor devices 6, 7, 8, 9, which have an energy harvesting sensor for converting the vibrations, and converted into electrical energy.
  • the power supply device 1 1 at least one light source, such as an LED, have, which emits light flashes within the battery cell housing 3. These light flashes can be received by the sensor devices 6, 7, 8, 9, which for this purpose have an energy harvesting sensor for converting solar energy, and converted into electrical energy.
  • This light source can also be used in the so-called passive balancing or state of charge compensation of the battery cell 1.
  • a state of charge of the battery cell 1 can be reduced by the light source, which is supplied by the galvanic element 2 with electrical energy, by the emission of light flashes, the energy of the galvanic element 2 deliberately consumed or converted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einem galvanischen Element (2), einem Batteriezellengehäuse (3), zumindest zwei Sensoreinrichtungen (6, 7, 8, 9) zum Erfassen einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft der Batteriezelle (1) und einer Kommunikationseinrichtung (10), wobei das galvanische Element (2) innerhalb des Batteriezellengehäuses (3) angeordnet ist, wobei die erste Sensoreinrichtung (6) und die Kommunikationseinrichtung (10) über einen ersten Signalpfad (12) zum Übertragen von Signalen zwischen der ersten Sensoreinrichtung (6) und der Kommunikationseinrichtung (10) gekoppelt sind und die erste Sensoreinrichtung (6) und die zweite Sensoreinrichtung (7) über einen zweiten Signalpfad (13) zum Übertragen von Signalen zwischen der ersten und der zweiten Sensoreinrichtung (6, 7) gekoppelt sind, wobei Signale zwischen der Kommunikationseinrichtung (10) und der zweiten Sensoreinrichtung (7) über einen durch den ersten und den zweiten Signalpfad (12, 13) gebildeten dritten Signalpfad austauschbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, Batterie sowie Kraftfahrzeug
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einem galvanischen Element, einem Batteriezellengehäuse, zumindest zwei Sensoreinrichtungen zum Erfassen einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft der Batteriezelle und einer Kommunikationseinrichtung, wobei das galvanische Element innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug.
Bei an sich bekannten Batteriezellen ist üblicherweise jeweils ein galvani- sches Element in einem Batteriezellengehäuse angeordnet. Zum Bereitstellen einer bestimmten Spannung beziehungsweise eines bestimmen Stromes können mehrere Batteriezellen zu einer Batterie zusammengeschaltet werden. Diese Batterien werden heutzutage insbesondere als Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, zum Antreiben der Kraftfahrzeuge eingesetzt. Beim Einsatz der Batterien in Kraftfahrzeugen müssen diese jedoch gewisse Anforderungen erfüllen. Da die Traktionsbatterien einige hundert Volt bereitstellen können, müssen besondere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, um beispielsweise eine Gefährdung von Personen zu vermeiden. Außerdem muss eine hohe Verfüg- barkeit der Batterie gewährleistet werden. Diese Verfügbarkeit ist insbesondere abhängig von einem Schädigungsgrad beziehungsweise einer Alterung der Batterie. Da die Batteriezellen fertigungsbedingt Schwankungen in ihrer Kapazität sowie in ihrem Innenwiderstand aufweisen, werden sie in der Regel unterschiedlich schnell geladen und entladen. Dabei kann es zu einer Schädigung der Batterie kommen, wenn einzelne Zellen beispielsweise tiefenentladen oder überladen werden.
Um eine Batterie oder einzelne Batteriezellen zu überwachen, sind aus dem Stand der Technik Maßnahmen bekannt. So zeigt die DE 10 2010 01 1 740 A1 eine Batterie, bei welcher ein Zustand einzelner Batteriezellen von Sensoren erfasst und drahtlos an eine übergeordnete Zentraleinheit versendet wird. In der WO 2012/034045 A1 ist ein Batterieüberwa- chungssystem beschrieben, bei welchem eine Messeinrichtung an oder in einer Batteriezelle angebracht wird. Auch die WO 2004/047215 A1 offenbart ein Batteriemanagementsystem, bei welchem zur Verlängerung der Lebensdauer der Batterie physikalische Eigenschaften derselben überwacht werden. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche ein besonders zuverlässiger Signalaustausch zwischen Komponenten einer Batteriezelle ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batteriezelle, eine Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs umfasst ein galvanisches Element, ein Batteriezellengehäuse, zumindest zwei Sensoreinrichtungen zum Erfassen einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft der Batteriezelle und eine Kommunikationseinrichtung, wobei das galvanische Element innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet ist.
Darüber hinaus sind die erste Sensoreinrichtung und die Kommunikationseinrichtung über einen ersten Signalpfad zum Übertragen von Signalen zwischen der ersten Sensoreinrichtung und der Kommunikationseinrichtung gekoppelt und die erste Sensoreinrichtung und die zweite Sensoreinrichtung über einen zweiten Signalpfad zum Übertragen von Signalen zwischen der ersten und der zweiten Sensoreinrichtung gekoppelt. Dabei sind die Signale zwischen der Kommunikationseinrichtung und der zweiten Sensoreinrichtung über einen durch den ersten und den zweiten Signalpfad gebildeten dritten Signalpfad austauschbar.
Das galvanische Element ist insbesondere als eine Sekundärzelle ausgestaltet, welche zum Versorgen einer elektrischen Komponente entladbar und nach der Entladung wieder aufladbar ist. Das galvanische Element umfasst dabei in an sich bekannter Weise zwei Elektroden und einen Elektrolyt. Das galvanische Element ist in dem Batteriezellengehäuse angeordnet. Das Batteriezellengehäuse kann als zweiteiliges Aluminiumgehäuse ausgestaltet sein, wobei die zwei Teile nach Integration des galvanischen Elementes beziehungsweise des Batteriezellwickels „gasdicht" miteinander verschweißt werden können. Dabei kann das galvanische Element gegenüber dem Batteriezellengehäuse elektrisch isoliert sein. Dazu kann beispielsweise ein isolierendes Material zwischen einer Innenseite einer Wand der Batteriezellengehäuses und dem galvanischen Element angeordnet sein. Zum Versorgen einer elektrischen Komponente mit einer von der Batteriezelle bereitgestell- ten elektrischen Spannung und/oder zum Laden der Batteriezelle und/oder zum Verschalten der Batteriezelle mit einer anderen Batteriezelle weist das Batteriezellengehäuse dabei zwei insbesondere exponierte Batteriepole beziehungsweise Batterieanschlüsse auf, wobei jeweils ein Batteriepol mit jeweils einer Elektrode des galvanischen Elementes elektrisch verbunden ist.
Die Sensoreinrichtungen dienen zum Erfassen von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Batteriezelle. Die Sensoreinrichtungen beziehungsweise Sensoren können als sogenannte Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) ausgestaltet sein. Die Sensoren können beispielsweise als zumindest einer der folgenden Sensoren ausgestaltet sein: Vibrationssensor, Beschleunigungssensor, Gyroskop, Temperatursensor, Kraftsensor, Drucksensor, Biegungssensor, Dehnungssensor, Wegsensor, Neigungssensor, Distanzsensor, Näherungssensor, optischer Sensor, beispielsweise Opto- sensor, Lichtsensor, UV-Sensor, Farbsensor, IR-Sensor, insbesondere ein NDIR (non-dispersive infrared) Sensor, Spektrum-Sensor, Sensor zur Füllstandsmessung, beispielsweise zur Messung des Füllstands des Elektrolyten, Sensor zur Leitfähigkeitsmessung, beispielsweise zur Messung der Leitfähigkeit des Elektrolyten, Sensor zur Teilchendetektion zum Nachweisen freier, bewegter Moleküle, Atome oder Elementarteilchen, Sensor zur Strommessung, Magnetfeldsensor, Hall-Sensor, Sensor zur Spannungsmessung, Gassensor, beispielsweise für die Gaszusammensetzung innerhalb der Batteriezelle, elektrochemischer Sensor, beispielsweise für die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten oder Gases, pH-Sensor, Ultraschallsensor, induktiver Sensor zur hochgenauen Abstandsmessung, Pie- zoelektrischer Sensor oder fotoelektrischer Sensor. Außerdem kann ein Sensor zur Erfassung eines Isolationswiderstandes beziehungsweise zur Prüfung der Isolation zwischen dem Batteriezellengehäuse und dem galvanischen Element vorgesehen sein. Ein solcher Sensor kann auch als Isolationswächter bezeichnet werden. Somit kann eine Sicherheit beziehungsweise Fehlerfreiheit der Batteriezelle erkannt werden. Die Sensoreinrichtungen können innerhalb oder außerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet sein. Die Konnnnunikationseinnchtung kann eine Steuereinrichtung aufweisen und ist dazu ausgelegt, bidirektional mit den Sensoreinrichtungen zu kommunizieren. Dazu können von den Sensoreinrichtungen erfasste Sensordaten als Signale an die Kommunikationseinrichtung versendet und von dieser empfangen werden. Die Kommunikationseinrichtung kann Steuersignale an die Sensoreinrichtungen versenden. Auch kann vorgesehen sein, dass die Kommunikationseinrichtung, beispielsweise über eine Drahtlosverbindung, mit einem übergeordneten Batteriemanagementsystem und/oder mit einer Kommunikationseinrichtung einer anderen Batteriezelle kommuniziert. Die Kommunikationseinrichtung kann dabei innerhalb des Batteriezellengehäu- ses oder auch außerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet sein.
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist mit anderen Worten vorgesehen, dass die erste Sensoreinrichtung, die zweite Sensoreinrichtung und die Kommunikationseinrichtung Netzwerkknoten einer Netzwerktopologie, beispielsweise eines vermaschten Netzes, sind, wobei die Kommunikationseinrichtung der zentrale Netzwerkknoten beziehungsweise Kommunikationsknoten ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass jede der Sensoreinrichtungen mit der Kommunikationseinrichtung kommunizieren und bidirektional Signale austauschen kann. Dabei kann die Kommunikationseinrichtung über den ersten Signalpfad direkt, also ohne einen Signalpfad, welcher über einen anderen Netzwerkknoten führt, mit der ersten Sensoreinrichtung kommunizieren. Mit der zweiten Sensoreinrichtung kann die Kommunikationseinrichtung indirekt, also über den dritten Signalpfad, welcher über die erste Sensoreinrichtung führt, kommunizieren. Außerdem können die erste und die zweite Sensoreinrichtung über den zweiten Signalpfad miteinander kommunizieren.
Die Kommunikation beziehungsweise der Austausch von Signalen kann dabei kontinuierlich oder in definierten Zeitabständen erfolgen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass nur bei einem Ereignis, beispielsweise bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts Signale ausgetauscht werden. So kann vorgesehen sein, dass die beispielsweise als Temperatursensoren ausgestalteten Sensoreinrichtungen nur dann ein Signal über den jeweiligen Signalpfad an die Kommunikationseinrichtung versenden, wenn die erfasste Temperatur einen vorgegebenen maximalen Temperaturwert überschreitet.
Durch die Vernetzung der Sensoreinrichtungen und der Kommunikationsein- richtung wird ein sogenanntes intelligentes Netz beziehungsweise Smart Mesh gebildet, bei welchem die Kommunikationseinrichtung als ein übergeordneter Netzwerkknoten in vorteilhafter Weise über den Zustand jeder der Sensoreinrichtungen informiert werden kann. Dabei ist es insbesondere nicht notwendig, dass die Kommunikationseinrichtung über einen direkten Signal- pfad mit jeder der Sensoreinrichtung kommuniziert. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Sensoreinrichtungen als sogenannte Router fungieren können, wobei diejenige Sensoreinrichtung, welche über einen direkten Signalpfad mit der Kommunikationseinrichtung gekoppelt ist, das Signal an eine andere Sensoreinrichtung weiterleiten kann und somit ein Koppelglied zwi- sehen der Kommunikationseinrichtung und der anderen Sensoreinrichtung darstellt. So können beispielsweise im einfachsten Fall sämtliche Sensoreinrichtungen in einer Kette angeordnet sein, an deren Ende die Kommunikationseinrichtung angeordnet ist. Das Signal einer Sensoreinrichtung, welche am Anfang der Kette angeordnet ist, kann von der Sensoreinrichtung über alle nachfolgenden Sensoreinrichtungen an die Kommunikationseinrichtung weitergeleitet werden.
Durch die Möglichkeit der Routerfunktion der einzelnen Sensoreinrichtung ist ein besonders flexibles Kommunikationsnetz bereitgestellt, welches beliebig um weitere Netzwerkknoten, beispielsweise in Form von Sensoreinrichtungen, erweitert werden kann. Wenn beispielsweise ein direkter Signalpfad zwischen zwei Netzwerkknoten, beispielsweise aus Platzgründen, innerhalb des Batteriezellengehäuses, nicht möglich ist, kann in vorteilhafter Weise ein indirekter Signalpfad über einen anderen Netzwerkknoten bereitgestellt wer- den.
Besonders bevorzugt sind die Kommunikationseinrichtung und die zweite Sensoreinrichtung über zumindest einen vierten Signalpfad zum Übertragen von Signalen zwischen der zweiten Sensoreinrichtung und der Kommunikati- onseinrichtung gekoppelt, wobei Signale zwischen der zweiten Sensoreinrichtung und der Kommunikationseinrichtung über den dritten Signalpfad und/oder über den zumindest einen vierten Signalpfad übertragbar sind. Das Netzwerk aufweisend die zumindest zwei Sensoreinrichtungen und die Kommunikationseinrichtung ist dann als ein sogenanntes vollvermaschtes Netz ausgebildet. Bei dem vollvermaschten Netz können alle Netzwerkknoten über einen direkten Signalpfad und über zumindest einen indirekten Signalpfad miteinander kommunizieren. Hier können die zweite Sensoreinrichtung und die Kommunikationseinrichtung über den vierten Signalpfad direkt und/oder über den dritten Signalpfad indirekt miteinander kommunizieren. Die erste Sensoreinrichtung und die Kommunikationseinrichtung können über den ersten Signalpfad direkt und/oder über den zweiten und den vierten Signalpfad indirekt miteinander kommunizieren. Ein als vollvermaschtes Netz ausgebildetes Netzwerk ist aufgrund der Redundanz besonders sicher aus- gestaltet, da zur Signalübertragung zwischen den einzelnen Netzwerkknoten zumindest zwei Signalpfade bereitgestellt sind. Zudem kann von eine besonders hohe Netzwerkverfügbarkeit bei sehr niedrigem Stromverbrauch bereitgestellt werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die als Netzwerkknoten ausgebildeten Sensoreinrichtungen und die Kommunikationseinrichtung jeweils eine Energiewandeleinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, aus einem von einem anderen Netzwerkknoten versendeten Signal elektrische Energie zur Energieversorgung des jeweiligen Netzwerkknotens bereitzustel- len. Als Signale werden physikalische Größen bezeichnet, bei der ein oder mehrere Parameter eine Information tragen. Die Energiewandeleinrichtungen sind also dazu ausgelegt, die physikalische Größe des empfangenen Signals zur Energieversorgung des jeweiligen Netzwerkknotens zu nutzen. Dazu ist die Energiewandeleinrichtung insbesondere dazu ausgelegt, eine nicht elekt- rische physikalische Größe in eine elektrische Größe umzuwandeln Dies wird auch als Energie-Ernten beziehungsweise Energy Harvesting bezeichnet. Im vorliegenden Fall bedeutet dies, dass über die Signalpfade in vorteilhafter Weise nicht nur eine Information sondern auch Energie zur Energieversorgung übertragen wird.
Bei einem elektrischen Signal, welches als physikalische Größe beispielsweise eine Stromstärke oder eine Spannung aufweist und bei welchem die Information beispielsweise in einer Frequenz oder Phase der Stromstärke oder Spannung transportiert wird, sind die Energiewandeleinrichtungen nun dazu ausgelegt, die Stromstärke oder die Spannung des empfangenen Signals dem jeweiligen Netzwerkknoten zur Energieversorgung bereitzustellen. Bei einem optischen Signal, welches Lichtwellen als die physikalische Größe aufweist, sind die als Solarsensoren ausgebildeten Energiewandeleinrichtung dazu ausgelegt, die Lichtwellen in elektrische Energie zum Versorgen des Netzwerkknotens umzuwandeln. Bei einem Signal, bei welchem eine Information mittels RFID (radio-frequency Identification) induktiv an einen Netzwerkknoten übertragen wird, kann die magnetische Welle, beispielsweise mit einer als Empfängerspule ausgebildeten Energiewandeleinrichtung, in eine elektrische Spannung zum Versorgen des jeweiligen Netzwerkknotens umgewandelt werden.
Somit kann in vorteilhafter Weise das über den jeweiligen Signalpfad übertragene Signal sowohl zum Energieaustausch als auch zum Informationsaus- tausch verwendet werden. Die Netzwerkknoten müssen hier beispielsweise nicht von dem galvanischen Element selbst mit elektrischer Energie versorgt werden.
Alternativ oder zusätzlich weist die Batteriezelle eine Energieversorgungsein- richtung zum Versorgen der zumindest zwei Sensoreinrichtungen auf. Dabei sind die erste Sensoreinrichtung und die Energieversorgungseinrichtung über einen ersten Energieflusspfad zum Übertragen von Energie von der Energieversorgungseinrichtung zu der ersten Sensoreinrichtung gekoppelt und die erste und die zweite Sensoreinrichtung über einen zweiten Energief- lusspfad zum Übertragen von Energie von der ersten Sensoreinrichtung zu der zweiten Sensoreinrichtung gekoppelt. Dabei ist Energie von der Energieversorgungseinrichtung zu der zweiten Sensoreinrichtung über einen durch den ersten und den zweiten Energieflusspfad gebildeten dritten Energieflusspfad übertragbar. Somit bilden die Sensoreinrichtungen und die Energie- Versorgungseinrichtung ebenfalls ein Netzwerk, dessen Netzwerktopologie so ausgebildet sein kann, wie es bereits im Zusammenhang mit dem Netzwerk aufweisend die Sensoreinrichtungen und die Kommunikationseinrichtung zum Austausch von Signalen beschrieben wurde. Energie kann also über den ersten Energieflusspfad direkt der ersten Sensoreinrichtung zuge- führt werden. Der zweiten Sensoreinrichtung kann Energie indirekt über den dritten Energieflusspfad, welcher über die erste Sensoreinrichtung führt, zugeführt werden. In diesem Fall fungiert die erste Sensoreinrichtung als ein Energiezwischenspeicher zum Zwischenspeichern der von der Energieversorgungseinrichtung für die zweite Sensoreinrichtung bereitgestellten Ener- gie. Auch ist es möglich, dass die Kommunikationseinrichtung von der Energieversorgungseinrichtung mit Energie versorgt wird. Durch Bereitstellen der Energieversorgungseinrichtung sowie der Vernetzung mit den Netzwerkknoten kann die Energie zentral bereitgestellt werden. Es muss somit nicht für jeden einzelnen Netzwerkknoten eine Energieversorgungseinrichtung, bei- spielsweise eine separate Batterie, bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist zumindest ein vierter Energieflusspfad zwischen der Energieversorgungseinrichtung und der zweiten Sensoreinrichtung ausgebildet, wobei Energie über den dritten Energieflusspfad und/oder über den zumindest einen vierten Energieflusspfad von der Energieversorgungseinrichtung zu der zweiten Sensoreinrichtung übertragbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass jede Sensoreinrichtung als Energiezwischenspeicher für die von der Energieversorgungseinrichtung für eine andere Sensoreinrich- tung bereitgestellte Energie ausgestaltet ist. Dabei kann beispielsweise von der Kommunikationseinrichtung für jede Sensoreinrichtung der energetisch günstigste Pfad von der Energieversorgungseinrichtung zu der jeweiligen Sensoreinrichtung berechnet werden. Daraufhin kann die Sensoreinrichtung entweder über einen direkten Energieflusspfad oder über einen indirekten Energieflusspfad mit der von der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellten Energie versorgt werden. Daraus ergibt sich des Vorteil, dass das Netzwerk besonders energieeffizient ausgestaltet ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest ein Energieflusspfad und/oder zumindest ein Signalpfad zum leitungsgebundenen Übertragen der Energie und/oder der Signale eine Leitung aufweist. Eine solche Leitung kann beispielsweise eine elektrische Leitung zur Übertragung von Energie und/oder Signalen in Form von elektrischem Strom und elektrischer Spannung sein. Solche elektrischen Leitungen können beispielsweise als flexible Leiterbahnen ausgestaltet sein, über welche die Netzwerkknoten innerhalb des Batteriezellengehäuses miteinander elektrisch verbunden sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Leitungen als Glasfasern oder Lichtwellenleiter zur Übertragung von optischen Größen, beispielsweise Lichtwellen, ausgebildet sind. Als Lichtwellenleiter ausgebildete Leiter erlau- ben einen besonders schnellen Signalaustausch zwischen den Netzwerkknoten. Falls beispielsweise die Netzwerkknoten teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet sind, kann das Batteriezellengehäuse Durchführungen für die Leitungen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest ein Energieflusspfad und/oder zumindest ein Signalpfad zum kontaktlosen Übertragen der Energie und/oder der Signale in Form von Lichtwellen ausgestaltet. Signale und/oder Energie können beispielsweise in Form von Lichtblitzen übertragen werden, welche von einem Netzwerkknoten und/oder der Energieversorgungseinrichtung ausgesendet werden und von einem anderen Netzwerkknoten empfangen werden. Bei einem aus einem optisch reflektierenden Material, beispielsweise Aluminium, gefertigten Batteriezellengehäuse können die Lichtblitze in vorteilhafter Weise an einer Innenseite der Wand des Batteriezellengehäu- ses reflektiert, im Innenraum des Batteriezellengehäuses verteilt und den anderen Netzwerkknoten, welche beispielsweise einen Solarsensor aufweisen, bereitgestellt werden. Signale und/oder Energie können aber beispielsweise auch induktiv übertragen werden.
Ein aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigtes Batteriezellengehäuse verhält sich wie ein Faradayscher Käfig. Das heißt, dass das Batteriezellengehäuse eine allseitig geschlossene Hülle aus einem elektrischen Leiter, beispielsweise einem Blech oder Drahtgeflecht, bildet, welche als elektrische Abschirmung wirkt. Bei äußeren statischen oder quasistatischen Feldern bleibt der innere Bereich feldfrei. Bei zeitlich veränderlichen Vorgängen, wie elektromagnetischen Wellen, beruht die Abschirmwirkung auf den sich in der leitfähigen Hülle ausbildenden Wirbelströmen, die dem äußeren elektromagnetischen Feld entgegenwirken.
Aufgrund dieser Tatsache lassen sich insbesondere elektromagnetische Signalpfade, beispielsweise eine WLAN-Kommunikation, nahezu völlig von der Umgebung außerhalb des Batteriezellengehäuses abschirmen. Die Batteriezelle weist somit eine besonders hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Netzwerkknoten und/oder die Energieversorgungseinrichtung mit dem Batteriezellengehäuse gekoppelt, um Energie und/oder Signale in Form von Schallwellen an das Batteriezellengehäuse zu übertragen und die von dem Batteriezellengehäuse übertragenen Schallwellen zu empfangen. Dazu können die Netzwerkknoten und/oder die Energieversorgungseinrichtung beispielsweise einen Vibrati- onsaktuator aufweisen, welcher eine Anregung in Form einer Schallwelle auf dem Batteriezellengehäuse erzeugt. Diese Schallwelle wird über das Batteriezellengehäuse weitergeleitet und kann beispielsweise von einem Vibrationssensor eines anderen Netzwerkknotens empfangen werden. Durch die Nutzung des Batteriezellengehäuses kann in vorteilhafter Weise auf separate Leitungen verzichtet werden. Die Schallwelle kann des Weiteren zur Energieversorgung basierend auf dem piezoelektrischen Effekt in elektrische Energie umgewandelt werden, und/oder es kann eine von der Schallwelle übertragene Information extrahiert werden. Zur Erfindung gehört außerdem eine Batterie aufweisend eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung von zumindest zwei erfindungsgemäßen Batteriezellen.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Batterie. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Personenkraftwagen, insbesondere als ein Elektro- oder Hybrid kraftwagen ausgestaltet sein. Das Kraftfahrzeug kann aber auch als ein elektrisch betriebenes Motor- rad oder Fahrrad ausgeführt sein.
Es ist aber auch möglich, die Batterie in einem stationären Energiespeichersystem vorzusehen. Dabei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Batterie, welche in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt war, als sogenannte Second Life Batterie in dem stationären Energiespeichersystem weiterverwendet wird.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Batteriezelle vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Batterie sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle, bei welcher Sensoreinrichtungen und eine Kommunikations- einrichtung der Batteriezelle ein vermaschtes Netz ausbilden; und
Fig. 2 - Fig. 8 Beispiele für solche und andere Netzwerktopologien. Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander wei- terbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Fig. 1 zeigt eine Batteriezelle 1 mit einem galvanischen Element 2 beziehungsweise einem Batteriezellwickel sowie einem Batteriezellengehäuse 3. Dabei ist das galvanische Element 2 in dem Batteriezellengehäuse 3 angeordnet. Das Batteriezellengehäuse 3 kann beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein. Das Batteriezellengehäuse 3 weist hier zwei exponierte beziehungsweise erhabene Anschlüsse 4, 5 auf, über welche elektrische Energie, beispielsweise zum Versorgen einer elektrischen Komponente, abgreifbar ist. Auch kann der Batteriezelle 1 über die Anschlüsse 4, 5 elektrische Energie zum Laden zugeführt werden. Über die Anschlüsse 4, 5 kann die Batteriezel- le 1 auch mit anderen gleichartigen Batteriezellen zu einer Batterie zusammengeschaltet werden. Eine solche Batterie kann beispielsweise in einem hier nicht gezeigten Kraftfahrzeug zum Antreiben des Kraftfahrzeugs angeordnet werden. Eine solche Batterie kann aber auch in einem hier nicht gezeigten stationären Energieversorgungssystem vorgesehen sein.
Die Batteriezelle 1 weist eine erste Sensoreinrichtung 6, eine zweite Sensoreinrichtung 7, eine dritte Sensoreinrichtung 8 und eine vierte Sensoreinrichtung 9 auf. Es können auch mehr als die vorliegend beispielhaft gezeigten vier Sensoreinrichtungen 6, 7, 8. 9 vorgesehen sein. Außerdem weist die Batteriezelle 1 eine Kommunikationseinrichtung 10 und eine Energieversorgungseinrichtung 1 1 auf. Die hier gezeigte räumliche Anordnung der Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9, der Kommunikationseinrichtung 10 und der Energieversorgungseinrichtung 1 1 ist lediglich beispielhaft. Beispielsweise sind hier die erste und die zweite Sensoreinrichtung 6, 7 in einem Hohlraum an- geordnet, welcher zwischen einer Innenseite einer Wand des Batteriezellengehäuses 3 und dem galvanischen Element 2 vorhanden ist. Die dritte und die vierte Sensoreinrichtung 8, 9 sind hier innerhalb des Batteriezellwickels angeordnet. Da sich innerhalb der Batteriezellengehäuses 3 der insbesondere flüssige Elektrolyt in den Hohlräumen sammeln kann, weisen die Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 bevorzugt eine chemische Beständigkeit gegenüber dem Elektrolyten auf, sodass der Elektrolyt im Betrieb der Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 keine Funktionseinschränkungen der Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 hervorruft.
Auch können die Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9, die Kommunikationseinrich- tung 10 und/oder die Energieversorgungseinrichtung 1 1 zumindest teilweise außerhalb der Batteriezelle, beispielsweise an einer Außenseite der Wand des Batteriezellengehäuses zwischen den Anschlüssen 4, 5, angebracht werden. Zum Signalaustausch ist die erste Sensoreinrichtung 6 über einen ersten Signalpfad 12 mit der Kommunikationseinrichtung 10 gekoppelt und über einen zweiten Signalpfad 13 mit der zweiten Sensoreinrichtung 7 gekoppelt. Die zweite Sensoreinrichtung 7 ist über einen dritten Signalpfad, welcher durch den ersten Signalpfad 12 und den zweiten Signalpfad 13 gebildet ist, und über einen vierten Signalpfad 14 mit der Kommunikationseinrichtung 10 gekoppelt. Die erste Sensoreinrichtung 6, die zweite Sensoreinrichtung 7 und die Kommunikationseinrichtung 10 bilden also ein vollvermaschtes Netz, bei welchem ein Signalaustausch zwischen den Netzwerkknoten, welche durch die Sensoreinrichtungen 6, 7 und die Kommunikationseinrichtung 10 gebildet werden, direkt und/oder über einen anderen Netzwerkknoten möglich ist.
Die dritte Sensoreinrichtung 8 ist hier über einen fünften Signalpfad 15 mit der Kommunikationseinrichtung 10, über einen sechsten Signalpfad 16 mit der ersten Sensoreinrichtung 6 und über einen siebten Signalpfad 17 mit der vierten Sensoreinrichtung 9 gekoppelt. Ein Signalaustausch zwischen der dritten Sensoreinrichtung 8 und der Kommunikationseinrichtung 10 ist dabei direkt über den fünften Signalpfad 15 und/oder indirekt über einen durch den sechsten und den ersten Signalpfad 12, 16 gebildeten Gesamtpfad möglich. Die Kommunikationseinrichtung 10, die erste Sensoreinrichtung 6 und die dritte Sensoreinrichtung 8 bilden hier ebenfalls ein vollvermaschtes Netz aus. Ein Signalaustausch zwischen der vierten Sensoreinrichtung 9 und der Kommunikationseinrichtung 10 ist hier nur indirekt über einen durch den siebten und den fünften Signalpfad 17, 15 gebildeten Gesamtpfad möglich. Die Kommunikationseinrichtung 10, die dritte und die vierte Sensoreinrich- tung 8, 9 bilden hier eine sogenannte Linien-Topologie aus.
Die hier gezeigte Netzwerktopologie, welche durch die Vernetzung der Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 und der Kommunikationseinrichtung 10 gebildet ist, ist lediglich beispielhaft. Beispiele für derartige oder andere Topologien sind in den Fig. 2 bis Fig. 8, gezeigt, wobei ein Punkt 24 beispielhaft einen Netzwerkknoten, beispielsweise eine der Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 oder die Kommunikationseinrichtung 10, darstellt und eine Verbindung 25 beispielhaft einen Signalpfad zwischen den Netzwerkknoten darstellt. Fig. 2 zeigt eine Ring-Topologie, Fig. 3 eine vermaschte Topologie, Fig. 4 eine Stern-Topologie, Fig. 5 eine vollvermaschte Topologie, Fig. 6 eine Linien- Topologie, Fig. 7 eine Baum-Topologie und Fig. 8 eine Bus-Topologie. Auch sind sogenannte Hybrid-Topologien möglich, welche durch eine Kombination zweier Topologien gebildet sind.
Auch kann jede der Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 jeweils eine Energiewandeleinrichtung 18 aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, das über den jeweiligen Signalpfad 12, 13, 14, 15, 16 übertragene Signal in elektrische Energie zum Versorgen der jeweiligen Sensoreinrichtung 6, 7, 8, 9 umzuwandeln. Die Energiewandeleinrichtungen 18 sind dabei als sogenannte Energie-Ernte- Sensoren beziehungsweise Energy-Harvesting-Sensoren ausgestaltet. Als Energy-Harvesting bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmungen. Die dafür eingesetzten Strukturen, also die Energie- Wandeleinrichtungen 18, werden auch als Nanogeneratoren bezeichnet. Energy-Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder gesonderte oder separate Batterien. Solche Nanogeneratoren können beispielsweise piezoelektrische Kristalle sein, welche bei Krafteinwirkung, beispielsweise durch Druck, Vibration oder Schall, eine elektrische Spannung erzeugen, und/oder thermoelektrische Generatoren und pyroelektrische Kristalle, welche aus Temperaturunterschieden elektrische Energie gewinnen, und/oder Antennen, insbesondere passive RFIDs, welche Energie von Radiowellen beziehungsweise elektromagnetische Strahlung auffangen und energetisch verwenden, und/oder Sensoren, welche Licht basierend auf dem fotoelektrischen Effekt in elektrische Energie umwandeln. Auch kann die Batteriezelle 1 sogenannte Superkondensatoren („Super- caps") aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, kurzzeitig Energie zu speichern, um diese den Netzwerkknoten zur Energieversorgung bereitzustellen. Diese Energie kann den Superkondensatoren der in einem Kraftfahrzeug angeordneten Batteriezelle 1 beispielsweise in einem Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeugs zugeführt werden. Superkondensatoren weisen den Vorteil auf, dass sie große Mengen Energie speichern können und für eine hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen ausgelegt sind. Der Signalaustausch zwischen den Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 und der Kommunikationseinrichtung 10 kann kontinuierlich, zu vorbestimmten Zeitpunkten oder nur dann erfolgen, wenn die jeweilige Sensoreinrichtung 6, 7, 8, 9 einen Änderung des Sensorwertes, beispielsweise die als Temperatur- sensor ausgestaltete Sensoreinrichtung 6, 7, 8, 9 die Änderung einer Tempe- ratur innerhalb des Batteriezellengehäuses 3, detektiert. So kann die Sensoreinrichtung 6, 7, 8, 9 nur dann ein Signal an die Kommunikationseinrichtung 10 und/oder eine andere Sensoreinrichtung 6, 7, 8, 9 versenden, wenn die Sensoreinrichtung 6, 7, 8, 9 eine signifikante Änderung der Temperatur erfasst hat. Gleichzeitig kann beispielsweise auch bei einer mehrmaligen geringfügigen Änderung der Temperatur die Temperaturänderung zum Gewinnen von Energie verwendet werden, indem die Energiewandeleinrichtungen 18 beispielsweise als thermoelektrische Generatoren ausgestaltet sind. Diese Energie kann beispielsweise auch in den Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 zwischengespeichert werden. So können beispielsweise Toleranzbänder vorgegeben werden, wobei ein außerhalb des Toleranzbandes liegender Sensorwert auf eine signifikante Temperaturänderung hinweist. Nur bei einem außerhalb des Toleranzbandes liegenden Sensorwert wird ein Datentransfer, beispielsweise zu der Kommunikationseinrichtung 10, durchgeführt. Somit kann sowohl senderseitig als auch empfängerseitig Energie gespart werden.
Auch kann der Signalaustausch innerhalb der Batteriezelle 1 mittels Radiowellen und induktiven Feldern erfolgen. Damit können Daten und die erforderlichen Energiemengen für die entsprechenden Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 innerhalb der Batteriezelle 1 ausgetauscht beziehungsweise aufgebracht werden. Dabei können die Sensoreinrichtungen passive und/oder aktive RFID-Transponder und/oder RFID-Reader aufweisen, welche Daten und Energie auf engstem Raum mit wenig Energieverbrauch versenden und/oder empfangen. Bei Bedarf können die versendeten Daten mittels Verschlüsse- lungsverfahren verschlüsselt werden.
Auch kann es vorgesehen sein, dass zumindest einer der Signalpfade 12, 13, 14, 15, 16 als eine Leitung, beispielsweise als eine elektrische Leitung oder optische Faser, ausgestaltet ist und die Signale somit drahtgebunden übertragen werden. Die Signalpfade 12, 13, 14, 15, 16 können dabei identisch oder unterschiedlich ausgestaltet sein.
Die Energie zur Energieversorgung der Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9 kann aber auch von der Energieversorgungseinrichtung 1 1 bereitgestellt werden. Dazu ist hier die Energieversorgungseinrichtung 1 1 über einen ersten Energieflusspfad 19 mit der ersten Sensoreinrichtung 6 gekoppelt. Die erste Sensoreinrichtung 6 ist über einen zweiten Energieflusspfad 20 mit der zweiten Sensoreinrichtung 7 gekoppelt. Somit kann der zweiten Sensoreinrichtung 7 die Energie der Energieversorgungseinrichtung 1 1 über einen durch den ersten und den zweiten Energieflusspfad 19, 20 gebildeten dritten Energieflusspfad bereitgestellt werden. Hier ist die zweite Sensoreinrichtung 7 zusätzlich über einen vierten Energieflusspfad 21 mit der Energieversorgungseinrichtung 1 1 gekoppelt und über diesen direkt mit elektrischer Energie versorgbar. Hier ist beispielhaft die vierte Sensoreinrichtung 9 über einen fünften Energieflusspfad 22 mit der Energieversorgungseinrichtung 1 1 gekoppelt. Die dritte Sensoreinrichtung 8 ist über einen durch den fünften Energieflusspfad 22 und einen sechsten Energieflusspfad 23 gebildeten Gesamtenergiefluss- pfad mit der Energieversorgungseinrichtung 1 1 gekoppelt.
Die Energieversorgung kann dabei drahtgebunden erfolgen, indem beispielsweise eine Mikroverkabelung innerhalb der Batteriezelle 1 angebracht wird. Dazu können beispielsweise flexible Folien, Multi-Layer-Folien, oder flexible Leiterplatten verwendet werden, welche sich passgenau in das Batte- riezellgehäuse 3 integrieren lassen. Auch können die Folien direkt an dem Batteriezellwickel oder auch außerhalb der Batteriezelle 1 , beispielsweise zwischen den Anschlüssen 4 und 5 befestigt werden und innerhalb der Zelle für eine zuverlässige Energieverteilung sorgen Durch die Vernetzung und die damit einhergehenden redundanten Energieflusspfade, beispielsweise die Versorgung der ersten Sensoreinrichtung 6 über den ersten Energieflusspfad 19 und/oder über den dritten Energieflusspfad, kann eine stabile Energieversorgung der Netzwerkknoten sichergestellt werden.
Auch kann die Energie von der Energieversorgungseinrichtung 1 1 drahtlos übertragen werden. Beispielsweise kann mittels piezoelektrischer Effekte über das Batteriezellengehäuse 3 selbst Energie gewonnen werden. Dazu kann die Energieversorgungseinrichtung 1 1 beispielsweise einen Vibrations- aktuator aufweisen, welcher bewusst eine Anregung auf dem Batteriezellengehäuse 3 erzeugt. Diese Energie kann von den Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9, welche dafür einen Energie-Ernte-Sensor zum Umwandeln der Vibrationen aufweisen, geerntet beziehungsweise empfangen und in elektrische Energie umgewandelt werden.
Darüber hinaus kann die Energieversorgungseinrichtung 1 1 zumindest eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED, aufweisen, welche innerhalb des Batteriezellengehäuses 3 Lichtblitze aussendet. Diese Lichtblitze können von den Sensoreinrichtungen 6, 7, 8, 9, welche dafür einen Energie-Ernte-Sensor zum Umwandeln von Solarenergie aufweisen, empfangen und in elektrische Energie umgewandelt werden. Diese Lichtquelle kann zudem auch beim sogenannten passiven Balancieren beziehungsweise Ladezustandsausgleich der Batteriezelle 1 verwendet werden. So kann nämlich ein Ladezustand der Batteriezelle 1 verringert werden, indem die Lichtquelle, welche von dem galvanischen Element 2 mit elektrischer Energie versorgt wird, durch das Aussenden von Lichtblitzen die Energie des galvanischen Elementes 2 bewusst verbraucht beziehungsweise umwandelt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1 . Batteriezelle (1 ) für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einem galvanischen Element (2), einem Batteriezellengehäuse (3), zumindest zwei Sensoreinrichtungen (6, 7, 8, 9) zum Erfassen einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft der Batteriezelle (1 ) und einer Kommunikationseinrichtung (10), wobei das galvanische Element (2) und die Sensoreinrichtungen (6, 7, 8, 9) innerhalb des Batteriezellengehäuses (3) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sensoreinrichtung (6) und die Kommunikationseinrichtung (10) über einen ersten Signalpfad (12) zum Übertragen von Signalen zwischen der ersten Sensoreinrichtung (6) und der Kommunikationseinrichtung (10) gekoppelt sind und die erste Sensoreinrichtung (6) und die zweite Sensoreinrichtung (7) über einen zweiten Signalpfad (13) zum Übertragen von Signalen zwischen der ersten und der zweiten Sensoreinrichtung (6, 7) gekoppelt sind, wobei Signale zwischen der Kommunikationseinrichtung (10) und der zweiten Sensoreinrichtung (7) über einen durch den ersten und den zweiten Signalpfad (12, 13) gebildeten dritten Signalpfad austauschbar sind.
2. Batteriezelle (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kommunikationseinrichtung (10) und die zweite Sensoreinrichtung (7) über zumindest einen vierten Signalpfad (14) zum Übertragen von Signalen zwischen der zweiten Sensoreinrichtung (7) und der Kommunikationseinrichtung (10) gekoppelt sind, wobei Signale zwischen der zweiten Sensoreinrichtung (7) und der Kommunikationseinrichtung (10) über den dritten Signalpfad und/oder über den zumindest einen vierten Signalpfad (14) übertragbar sind.
3. Batteriezelle (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoreinrichtungen (6, 7, 8, 9) und die Kommunikationseinrichtung (10) Netzwerkknoten ausbilden, welche jeweils eine Energiewandeleinrichtung (18) aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, aus einem von einem anderen Netzwerkknoten versendeten Signal elektrische Energie zur Energieversorgung des jeweiligen Netzwerkknotens bereitzustellen. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batteriezelle (1 ) eine Energieversorgungseinrichtung (1 1 ) zum Versorgen der zumindest zwei Sensoreinrichtungen (6, 7, 8, 9) aufweist, wobei die erste Sensoreinrichtung (6) und die Energieversorgungseinrichtung (1 1 ) über einen ersten Energieflusspfad (19) zum Übertragen von Energie von der Energieversorgungseinrichtung (1 1 ) zu der ersten Sensoreinrichtung (6) gekoppelt sind und die erste und die zweite Sensoreinrichtung (6, 7) über einen zweiten Energieflusspfad (20) zum Übertragen von Energie von der ersten Sensoreinrichtung (6) zu der zweiten Sensoreinrichtung (7) gekoppelt sind, wobei Energie von der Energieversorgungseinrichtung (1 1 ) zu der zweiten Sensoreinrichtung (7) über einen durch den ersten und den zweiten Energieflusspfad (19, 20) gebildeten dritten Energieflusspfad übertragbar ist
Batteriezelle (1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein vierter Energieflusspfad (21 ) zwischen der Energieversorgungseinrichtung (1 1 ) und der zweiten Sensoreinrichtung (7) ausgebildet ist, wobei Energie über den dritten Energieflusspfad und/oder über den zumindest einen vierten Energieflusspfad (21 ) von der Energieversorgungseinrichtung (1 1 ) zu der zweiten Sensoreinrichtung (7) übertragbar ist.
Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Energieflusspfad (19, 20, 21 , 22, 23) und/oder zumindest ein Signalpfad (12, 13, 14, 15, 16, 17) zum leitungsgebundenen Übertragen der Energie und/oder der Signale eine Leitung aufweist.
Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Energieflusspfad (19, 20, 21 , 22, 23) und/oder zumindest ein Signalpfad (12, 13, 14, 15, 16, 17) zum kontaktlosen Übertragen der Energie und/oder der Signale in Form von Lichtwellen ausgestaltet ist.
8. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Netzwerkknoten (6, 7, 8, 9, 10) und/oder die Energieversorgungsein- richtung (1 1 ) mit dem Batteriezellengehäuse (3) gekoppelt sind, um Energie und/oder Signale in Form von Schallwellen an das Batteriezellengehäuse (3) zu übertragen und die von dem Batteriezellengehäuse (3) übertragenen Schallwellen zu empfangen.
Batterie aufweisend eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung von zumindest zwei Batteriezellen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batterie nach Anspruch 9.
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