WO2016131797A1 - Batteriezelle für eine batterie eines kraftfahrzeugs, batterie und kraftfahrzeug - Google Patents

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Michael Hinterberger
Berthold Hellenthal
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Audi Ag
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Definitions

  • the invention relates to a battery cell for a battery of a motor vehicle.
  • the battery cell comprises a battery cell housing, in which a galvanic element is accommodated. Via two electrical connections, the battery cell can be electrically connected to at least one further battery cell of the battery. Furthermore, the invention relates to a battery with a plurality of such battery cells and a motor vehicle with a battery.
  • Object of the present invention is therefore to provide a battery cell, a battery and a motor vehicle of the type mentioned, which or which allows a particularly safe operation. This object is achieved by a battery cell having the features of patent claim 1, by a battery having the features of patent claim 9 and by a motor vehicle having the features of patent claim 10.
  • the battery cell according to the invention has at least one switching element, which is designed to interrupt and to produce an electrically conductive connection between a conductor of the galvanic element and at least one of the electrical connections. It can therefore be selectively interrupted or manufactured by means of the at least one switching element, the electrically conductive connection. This allows at least one of the electrical connections - and in providing two switching elements both electrical connections - to de-energize. So it can be ensured that at the electrical terminals of the battery cell is only applied an electrical voltage, if desired. This enables a particularly safe operation and handling of the battery cell. A battery cell whose electrical connections are disconnected from voltage can be handled safely.
  • the galvanic element is preferably formed as a secondary element, which can be discharged to supply an electrical component and recharged after discharge.
  • the galvanic element comprises the Abieiter in a conventional manner, for example in the form of metal foils, which are coated with the electrochemically active material of the electrodes of the galvanic element.
  • an electrolyte is provided as well as a separator separating the electrochemically active materials from one another.
  • the Abieiter can be stacked, folded or wound, so that the galvanic element is also referred to as a cell stack or cell winding.
  • a first switching element between a first Abieiter of the galvanic element and one of the electrical terminals is arranged and a second switching element between a second Abieiter and the other of the two electrical terminals of the battery cell.
  • the battery cell housing is formed of an electrically conductive material such as aluminum.
  • the galvanic element contacts the battery cell housing in an electrically conductive manner, the occurrence of a short-circuit current through one of the electrical connections can then be prevented. It may also happen that an electrical insulation between a battery cell and another battery cell or within the battery cell is faulty.
  • By opening both switching elements that is, by interrupting the electrically conductive connection between the respective arrester element and the respective electrical connection, it can then be ensured that these cells, which are defective from the insulation, are electrically separated from the further battery cells.
  • the existence of electrical insulation is monitored at the level of the battery.
  • an insulation monitor that is a sensor which performs a resistance measurement between the battery cell housing and at least one of the absorbers
  • an insulation fault can be located. It can therefore be identified by the insulation ago faulty battery cell within the battery. So if such an error occurs, the affected battery cell can be switched off by interrupting the electrically conductive connection. Additionally or alternatively, a warning may be issued that the battery cell has the fault.
  • the at least one switching element is designed as a semiconductor element which can be switched by means of a driver module. Then, the switching behavior of the switching element can be adjusted or programmed depending on a variety of influencing parameters.
  • the battery cell By providing such a driver module or driver for driving the Semiconductor element is the battery cell lent intelligence, so the battery cell as a so-called SmartCell ("Intelligent Battery Cell”) .
  • SmartCell Intelligent Battery Cell
  • the driver module is preferably arranged inside the battery cell housing. Then the driver module is well protected. Furthermore, the driver module can be supplied with signals from sensors which detect parameters of the battery cell and are also located inside the battery cell housing for this purpose.
  • the semiconductor element can be embodied as a binary switch, in which the electrically conductive connection between the drain and the at least one electrical connection is interrupted in a switching state, and the electrically conductive connection is established in the other switching state.
  • This can be realized, for example, by providing a power transistor as the semiconductor element.
  • an electrical resistance of the semiconductor element can be changed by means of the driver module.
  • a variable resistance or on-resistance of almost zero can ensure that the electrically conductive connection is made and a resistance of almost infinite for breaking the electrically conductive connection.
  • the semiconductor element may be provided by a power transistor.
  • the provision of a variable resistance switching element can be used, for example, to ensure a uniform current flow through the parallel-connected battery cells in a battery with parallel-connected battery cells, which have different internal resistances. Differences in the internal resistances can in fact be compensated by means of the variable resistor.
  • a uniform load of the parallel-connected battery cells achievable in this way leads to a particularly slow and in particular particularly uniform aging of the parallel-connected battery cells.
  • the at least one switching element is preferably designed for low voltages and high currents. For example, it can be designed for voltages up to 10 volts and for peak currents up to 1000 amps or more. However, the design depends on the performance of the respective battery cell.
  • a reverse-current circuit breaker such as a field-effect transistor, in particular a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), preferably a power MOSFET, may be used as the switching element become.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
  • an electronic relay with two field effect transistors in particular with two MOSFETs
  • the at least one switching element can be formed as a gallium nitride switch (GaN switch) or the same switching element with such a material with a wide band gap, for example in the form of silicon carbide (SiC).
  • Such semiconductor elements bring considerable advantages in terms of electrical properties, in particular with regard to the large current density or power density, which can be achieved per semiconductor element.
  • it is thus possible to provide a particularly compact switching element which, moreover, permits particularly high switching speeds, in particular of a few hundred kHz (and more).
  • semiconductor switches allow for particularly high operating temperatures of up to 250 degrees Celsius, without causing irreversible damage to the switching element.
  • particularly low forward resistances can be realized with the mentioned semiconductor elements, which are accompanied by desirably low switching losses.
  • the at least one switching element can be designed as a so-called gate injection transistor (GIT), for example as a GaN transistor of the self-blocking type.
  • GIT gate injection transistor
  • Such a GaN transistor has the above-mentioned advantageous properties to a particularly high degree.
  • Such a switching element can be without control voltage at the gate terminal no through a stream. It is without control voltage so in the off state in which the electrically conductive connection is interrupted. This is advantageous for safety reasons.
  • the driver module manages with a very small amount of energy, that is to say preferably a low-power version, in particular an ultra-low-power version.
  • the driver module may be coupled to an electrical energy store, such as a capacitor arranged in the battery cell housing.
  • an electrical energy store such as a capacitor arranged in the battery cell housing.
  • the driver module is designed to change a switching state of the at least one switching element as a function of the at least one parameter. For example, it can be ensured that at high short-circuit currents, such as currents of a current intensity of 2 kA to 4 kA, a safe, in particular multiple separation of the galvanic element from the terminals or battery poles and thus switching off the battery cell. So an additional safety precaution is integrated into the battery cell. Additionally or alternatively, for example, by means of at least one sensor coupled to the driver module, a temperature may be detected as the at least one parameter.
  • the switching element has a comparatively high temperature
  • its functionality may be impaired.
  • the driver module can ensure that only then the switching state of the at least one switching element is changed when the switching element is cool enough again to be able to safely perceive its switching function. This way an over-temperature protection is integrated and a safe separation is ensured, for example, in case of a possible short-circuit.
  • the driver module for safety can control the switching element and interrupt the electrically conductive connection. This may be the case, for example, when heat is introduced into the battery cell as a result of a fire of another battery cell or of other components of the battery (or of a component adjacent to the battery).
  • Information about such occurring in the battery cell or from the environment of the battery cell acting on the battery cell heat loads can be preferably communicated by means of the driver module, such as to a higher-level control device of the battery. Additionally or alternatively, such information can be stored in a memory of the driver module and read out as needed.
  • overcharge protection can be provided if the battery cell is switched off or disconnected, for example, when a maximum value of the temperature, the current or the voltage is exceeded. Also, such a self-triggering of the battery cell in the manner of a fuse when exceeding maximum values such as the temperature, the current, the pressure or the like can be realized.
  • the driver module is designed to check a functionality of the at least one switching element. It can therefore be integrated into the driver module, a self-diagnostic function, in which about at predetermined time intervals, the at least one switching element is checked. For this purpose, measurements can be made on the switching element by means of the driver module, which provide information about its status.
  • Such a self-diagnosis can be provided in predefinable, programmable time intervals or initiated externally. For example, such a query of the status of the switching element or its functionality can be triggered by an external control device, for example in the form of a microprocessor of a battery management system.
  • an external control device for example in the form of a microprocessor of a battery management system.
  • it can be determined by checking the switching element, whether the switching element can be reliably transferred to its different switching states. The presence of a defective switching element can then be communicated to an operator and the switching element exchanged if necessary. It is furthermore preferred if the driver module is designed to communicate with a control device of the battery.
  • a wired and / or wireless communication can be provided.
  • a fault and / or a respective switching state of the switching element of the control device such as a battery management system, be communicated.
  • the control device can drive the driver module and thus, in particular with regard to the state of the entire battery, cause the interruption or the production of the electrically conductive connection by the driver module, which activates the switching element.
  • the at least one switching element can be brought into a switching state producing the electrically conductive connection by applying a control voltage from a switching state interrupting the electrically conductive connection between the drain and the at least one electrical connection. Then, in the de-energized state, the switching elements are open and the battery terminals or connections are de-energized. So can not be accidentally applied to the terminals a voltage, but for this, the control voltage must be applied.
  • the switching element may be arranged on the respective Abieiter or at the respective terminal.
  • the switching element designed, for example, as a semiconductor element can be arranged on a lead frame or leadframe, which in turn is connected to the conductor, for example by welding, crimping or non-positive, in particular by a press fit.
  • the leadframe can also be arranged at the electrical connection or terminal of the battery cell.
  • Such an arrangement of the switching element is particularly advantageous in view of the space available within the battery cell housing space.
  • a heat-conducting contact between the switching element, in particular semiconductor element, and the battery cell housing can be produced in a particularly good manner. In this way, heat can be removed from the switching element particularly well.
  • the battery cell comprises means for irreversibly destroying an electrical contact between the at least one switching element and the Abieiter and / or the at least an electrical connection.
  • the switching element can then be destroyed in the manner of a self-destructive function in such a way that the electrically conductive connection is permanently interrupted.
  • a further switching device for example, a relay and / or a semiconductor switching element via respective busbars may be connected to the two terminals of the battery cell.
  • the switching device When the switching device is open, no current flows through the busbars (and the switching device) over the terminals of the battery cell. In the open state, therefore, the battery cell can be used as intended for the provision of electrical energy and / or for charging.
  • the switching device when the switching device is closed, the current can flow via the busbar and the switching device between the terminals of the battery cell. In this case, the galvanic element of this battery cell is bridged.
  • the driver module can also trigger the further switching device to close.
  • This possibility of bridging is particularly advantageous in a series connection of battery cells. Namely, if one of the serially connected battery cells is faulty, so has a damage, so this battery cell can be bridged by closing the switching device.
  • the faulty battery cell can be bridged in a simple manner and the current is passed via the switching device of the defective battery cell to the adjacent battery cells.
  • the battery which is arranged for example in the motor vehicle for driving the motor vehicle, continue to provide electrical energy. Accordingly, a driver of the motor vehicle advantageously has the option of having a workshop. to search.
  • the switching device and the busbars may be arranged in particular within the battery cell housing.
  • the irreversible destruction of the electrical contact can be effected in particular by a chemical reaction and / or by a temperature increase and / or by a pressure.
  • a chemical reaction and / or by a temperature increase and / or by a pressure can be realized by a heat application, a burn through of the electrical contact in the manner of a fuse by very locally and long enough a sufficiently high temperature is generated. This may, for example, be more than 300 degrees Celsius and thus initiate an independent deactivation of the battery cell.
  • the irreversible destruction can be effected for example by local heating or pyrotechnic or by the chemical reaction, which in turn can be triggered thermally or by pressure increase.
  • reactive chemicals which release heat locally in a reaction with one another and / or cause the occurrence of a correspondingly high pressure, can be used to destroy the electrical contacts.
  • these are preferably such that they do not react with the electrolyte of the galvanic element or with other components of the battery cell, in particular with the driver module, or corrode the electrolyte or the component. In fact, it is certainly avoided that an early triggering of the self-destructive function and thus a deactivation of the battery cell is brought about.
  • the means for deactivating the galvanic element may be formed, for example by chemically deactivating or rendering harmless the electrolyte of the galvanic element. Even then all other chemical reactions of the galvanic cell are prevented. Also, such a self-destruct function may be effected by providing a unit with chemicals disposed inside the battery cell case. Such a unit can be triggered electrically or by a chemical reaction in order to subsequently deactivate the galvanic element.
  • the switching state of the switching element is perceptible from the outside. This is for example for shipping, storage and assembling the battery from the bat- teriezellen advantageous because then it can be easily determined from outside the battery cell housing, whether applied to the electrical terminals of the battery cell voltage or not.
  • a changing electric or magnetic field can be detected within the battery cell and such a signal can be amplified.
  • an external, active indicator can be provided.
  • a passive indicator such as a lamp, in particular a light emitting diode whose light is on the switching state of the at least one switching element information.
  • Such a light-emitting diode can be supplied in particular with the electrical energy which provides the galvanic element. Then no external energy source is needed.
  • the functional safety of the battery cell itself and of all components and components thereof can be ensured according to internationally specified safety requirements, for example according to the D level of the ASIL (Automotive Safety Integrity Level, level of intactness with regard to safety in mobile applications).
  • ASIL Automotive Safety Integrity Level
  • a determination as to whether the switching element is closed or opened can be made safely according to the D level of the ASIL.
  • the battery according to the invention comprises a plurality of battery cells according to the invention, which can be connected in series and / or connected in parallel.
  • the 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 vehicle or hybrid vehicle. Furthermore, the motor vehicle may also be an electrically operated motorcycle or an electrically operated bicycle.
  • the battery in a stationary energy storage system.
  • the Battery which was provided in a motor vehicle, is used as a so-called Second Life battery, in which so the battery of a different kind of use is supplied.
  • the requirements for the performance of the battery cells may be lower than when the battery cells for the battery of the motor vehicle are used.
  • Fig. 1 shows schematically a battery cell of a battery of a motor vehicle, wherein between the electrodes of a galvanic element of the battery cell and the electrical poles of the battery cell semiconductor switching elements are arranged, which can be controlled by a driver module to an electrically conductive connection between the electrodes and to interrupt the Poles; and
  • Fig. 2 shows schematically the battery cell according to Fig. 1, but with a
  • a Battehezelle 10 is shown schematically, as can be used for example in a battery of a motor vehicle.
  • the battery cell 10 may be designed for this purpose as a lithium-ion cell.
  • a plurality of such battery cells 10 are electrically connected in series and / or in parallel to provide correspondingly high voltages and currents.
  • battery cells 10 can be a total of very high voltage and that a voltage of several hundred volts of the battery occur, for example because a plurality of battery modules, each containing a plurality of battery cells 10 are electrically connected to each other.
  • These high voltages as well as the occurrence of short circuits or electric arcs can endanger people. Such hazards must be avoided or reduced. This can be achieved by the battery cell 10 described with reference to the figures.
  • the battery cell 10 comprises a battery cell housing 12, which is designed by way of example prismatic here.
  • a galvanic element 14 is arranged, which comprises Abieiter 16, 18 coated with a respective electrochemical material.
  • Abieiter 16 coated with a respective electrochemical material.
  • the electrochemically active material and the electrodes 16, 18 of Abieiter 16, 18 electrodes of the galvanic element 14 to simplify only shown to a first electrical terminal 20 (such as a positive pole) of the battery cell 10 Abieiter 16 shown and to a second electrical connection 22 of the battery cell 10 leading Abieiter 18, so the negative pole leading Abieiter 18.
  • a first electrical terminal 20 such as a positive pole
  • a first switching element 24 is provided, by means of which an electrically conductive connection between the Abieiter 16 and the terminal 20 can be interrupted by the switching element 24 is opened. By closing the switching element 24, the electrically conductive connection between the Abieiter 16 and the terminal 20 can be produced.
  • a second switching element 26 is provided, by means of which the electrically conductive connection between the Abieiter 18 and interrupt the connection 22 or can be produced.
  • the switching elements 24, 26, which may be formed, for example, as semiconductor elements, are in the present case connected by a driver module 28, which, like the switching elements 24, 26, is disposed within the battery cell housing 12.
  • the driver module 28 By means of the driver module 28, for example, the current intensity of the current flowing through the battery cell 10 can be detected. If the current is too high, as occurs, for example, in the event of a short circuit, the driver module 28 can then cause the switching elements 24, 26 to be opened, for example by preventing the application of a control voltage to the switching elements 24, 26.
  • the voltage of the battery cell 10 detected by the driver module 28 can be used to open the switching elements 24, 26.
  • the battery cell 10 is given an intelligence which allows the switching behavior of the switching elements 24, 26 to be programmed dynamically depending on a large number of influencing parameters.
  • the driver module 28 can take into account further parameters which are detected, for example, by sensors 30 arranged inside the battery cell housing 12 or outside the battery cell housing 12. Such sensors 30 may detect, for example, a temperature, a pressure, accelerations, in particular accelerations in three mutually perpendicular directions, a nature of an electrolyte of the galvanic element 14 and the like.
  • switch-on criteria and switch-off criteria can be defined, for example, via characteristic curves.
  • an interruption or establishment of the electrical connection between the headers 16, 18 and the electrical connections 20, 22 can be provided in dependence on a multiplicity of the mentioned parameters.
  • a higher-order point such as a control device, as it is present in a battery management system.
  • a designated, for example, wireless communication link 32 of the driver module 28 is shown in Fig. 1. For example, it can be ensured that a single faulty battery cell 10 is disconnected. is switched while the other battery cells 10 of the battery can continue to provide electrical energy for the propulsion of the vehicle.
  • the driver chip 28 can be supplied with the electrical energy that provides the galvanic element 14. Additionally or alternatively, to provide the very small amount of energy that the driver module 28 requires, a separate energy store may be provided, for example in the form of a small capacitor.
  • a separate energy store may be provided, for example in the form of a small capacitor.
  • the natural switching state of the switching elements 24, 26, which are preferably designed as semiconductor elements is open, so that both battery terminals or connections 20, 22 are usually free of voltage.
  • the switching elements 24, 26 can only be opened or closed, whereby a maximum current flow through the respective switching element 24, 26 is made possible when the switching element 24, 26 is closed.
  • the switching elements 24, 26 may be formed, for example, as power transistors.
  • a resistance of the switching elements 24, 26 can be changed by means of the driver module 28.
  • Such switching elements 24, 26 can also be embodied as semiconductor elements, for example as power transistors with variable forward resistance.
  • R °°
  • R °°
  • the resistance the current flowing across the switching elements 24, 26 can be varied. This is advantageous, for example, when parallel-connected battery cells 10 are to be loaded evenly, wherein the battery cells 10 have different internal resistances.
  • the switching elements 24, 26 may be disposed on the collector 16, 18 as a collector contact sheet, such as by being welded, crimped, or press-fitted.
  • the switching elements may also be integrated in the terminals 20, 22, which are also referred to as terminals of the battery cell 10.
  • the cooling of the switching elements 24, 26 can be done via the battery cell housing 12.
  • the switching elements 24, 26 can be equipped with an integrated self-triggering function.
  • the electrically conductive connection can be interrupted.
  • an independent release analogous to a fuse can be made, which is reversible.
  • an overtemperature protection can be realized, is ensured by the fact that only then unlock the battery cell 10 takes place when the respective switching element 24, 26 is sufficiently cold.
  • the electrically conductive connection between the headers 16, 18 and the terminals 20, 22 can be reliably separated. However, it can also be done at a too high temperature automatic activation or automatic shutdown of the battery cell 10 to hedge. In addition, irreversible destruction of the switching elements 24, 26 or their electrical contacts to the electrical terminals 20, 22 and / or the Abieitern 16, 18 is possible.
  • a special packing layer can be provided inside the battery cell housing 12, which reliably, locally and over a sufficiently long period of time, provides a temperature of, for example, more than 300 degrees Celsius and thus initiates an independent deactivation of the battery cell 10.
  • Such self-destruction can be triggered by an electrical signal, such as by heating, or pyrotechnic, such as when an airbag is triggered or by a chemical reaction. In this case, thermal initiation or increased pressure can cause the chemical reaction to be triggered.
  • a package with chemicals can also - for example, triggered electrically or by a chemical reaction - ensure that the electrolyte of the galvanic element 14 is chemically deactivated or rendered harmless. Even then, the chemical reactions NEN of the galvanic element 14, which lead to provide an electrical voltage to the galvanic element 14.
  • the driver module 28 may have a self-diagnostic function such as a built-in-self-test (BIST), for example, to trigger a self-diagnosis at programmable time intervals. However, it can also be triggered by an external trigger such as the microprocessor of the battery management system, that such a query of the functionality of the switching elements 24, 26 should be made.
  • BIST built-in-self-test

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einem Batteriezellengehäuse (12), in welchem ein galvanisches Element (14) aufgenommen ist. Über zwei elektrische Anschlüsse (20, 22) kann die Batteriezelle (10) mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle der Batterie elektrisch verbunden werden. Die Batteriezelle (10) umfasst wenigstens ein Schaltelement (24, 26), welches zum Unterbrechen und zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Ableiter (16, 18) des galvanischen Elements (14) und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse (20, 22) ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Batteriezellen (10) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie.

Description

Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, Batterie und Kraftfahrzeug
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs. Die Batteriezelle umfasst ein Batteriezellengehäuse, in welchem ein galvanisches Element aufgenommen ist. Über zwei elektrische Anschlüsse kann die Batteriezelle mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle der Batterie elektrisch verbunden werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Batteriezellen und ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie.
Aus dem Stand der Technik etwa der DE 10 2010 045 037 A1 ist es bekannt, eine Mehrzahl von Batteriezellen zum Bereitstellen einer bestimmten Spannung beziehungsweise eines bestimmten Stroms zu einer Batterie zusammenzuschalten. Solche Batterien werden heutzutage insbesondere als Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen wie etwa Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie eingesetzt.
An den Anschlüssen oder Batteriepolen von aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen liegt im Normalfall eine elektrische Spannung an. Falls nun viele Batteriezellen in einer Reihenschaltung zusammengeschaltet werden, so können daraus hohe und gefährliche Spannungen resultieren. Beispielsweise kann eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug eine Spannung von einigen hundert Volt bereitstellen. Entsprechend müssen besondere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, um im Betrieb der Batterie und bei der Herstellung eine Gefährdung von Personen zu vermeiden. Es besteht nämlich die Möglichkeit, dass Kurzschlüsse oder gefährliche Lichtbögen auf- treten. Zugleich können etwa infolge eines Kurzschlusses enorme Energiemengen schlagartig freigesetzt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriezelle, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, welche oder welches einen besonders sicheren Betrieb ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch eine Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angege- ben.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist wenigstens ein Schaltelement auf, welches zum Unterbrechen und zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Abieiter des galvanischen Elements und zumin- dest einem der elektrischen Anschlüsse ausgebildet ist. Es kann also mittels des wenigstens einen Schaltelements die elektrisch leitende Verbindung wahlweise unterbrochen oder hergestellt werden. Dies erlaubt es zumindest einen der elektrischen Anschlüsse - und bei Vorsehen von zwei Schaltelementen beide elektrischen Anschlüsse - spannungsfrei zu schalten. So kann dafür gesorgt werden, dass an den elektrischen Anschlüssen der Batteriezelle nur dann eine elektrische Spannung anliegt, wenn dies gewünscht ist. Dies ermöglicht einen besonders sicheren Betrieb der und Umgang mit der Batteriezelle. Eine Batteriezelle, deren elektrische Anschlüsse spannungsfrei geschaltet sind, kann nämlich gefahrlos gehandhabt werden. Zudem kann beim Auftreten eines Fehlers der Batteriezelle die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Abieiter und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse getrennt werden. Dadurch kann von dieser Batteriezelle keine Gefahr mehr ausgehen, und der Betrieb ist besonders sicher. Das galvanische Element ist bevorzugt als Sekundärelement ausgebildet, welches zum Versorgen einer elektrischen Komponente entladen und nach der Entladung wieder aufgeladen werden kann. Hierbei umfasst das galvanische Element in an sich bekannter Weise die Abieiter etwa in Form von Metallfolien, welche mit dem elektrochemisch aktiven Material der Elektroden des galvanischen Elements beschichtet sind. Des Weiteren ist ein Elektrolyt vorgesehen sowie ein die elektrochemisch aktiven Materialien voneinander trennender Separator. In einem solchen galvanischen Element können die Abieiter gestapelt, gefaltet oder gewickelt vorliegen, so dass das galvanische Element auch als Zellstapel oder Zellwickel bezeichnet wird. Bevorzugt ist ein erstes Schaltelement zwischen einem ersten Abieiter des galvanischen Elements und einem der elektrischen Anschlüsse angeordnet und ein zweites Schaltelement zwischen einem zweiten Abieiter und dem anderen der beiden elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle. Durch das Vorsehen von jeweils einem dem jeweiligen Abieiter beziehungsweise dem jeweiligen elektrischen Anschluss zugeordneten Schaltelement kann eine besonders sichere Abtrennung des galvanischen Elements von weiteren Batteriezellen der Batterie sichergestellt werden.
Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Batteriezellengehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise aus Aluminium gebildet ist. Dann kann nämlich für den Fall, dass das galvanische Element das Batteriezellengehäuse elektrisch leitend berührt, das Auftreten eines Kurz- schlussstroms durch einen der elektrischen Anschlüsse hindurch verhindert werden. Auch kann es vorkommen, dass eine elektrische Isolierung zwischen einer Batteriezelle und einer weiteren Batteriezelle oder innerhalb der Batteriezelle fehlerhaft ist. Durch Öffnen beider Schaltelemente, also durch Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem jeweiligen Ableiterelement und dem jeweiligen elektrischen Anschluss, kann dann sichergestellt werden, dass diese von der Isolation her fehlerhafte Batteriezelle von den weiteren Batteriezellen elektrisch getrennt wird.
Bei bisherigen Batterien wird das Bestehen einer elektrischen Isolation auf der Ebene der Batterie überwacht. Durch Vorsehen eines Isolationswächters, also eines Sensors, welcher eine Widerstandsmessung zwischen dem Batteriezellengehäuse und zumindest einem der Abieiter durchführt, kann jedoch ein Isolationsfehler lokalisiert werden. Es kann also die von der Isolation her fehlerhafte Batteriezelle innerhalb der Batterie identifiziert werden. Tritt also ein solcher Fehler auf, kann die betroffene Batteriezelle durch Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung wegschalten werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Warnung ausgeben werden, dass die Batteriezelle den Fehler aufweist. Bevorzugt ist das wenigstens eine Schaltelement als Halbleiterelement ausgebildet, welches mittels eines Treiberbausteins geschaltet werden kann. Dann lässt sich das Schaltverhalten des Schaltelements abhängig von einer Vielzahl von Einflussparametern einstellen oder programmieren. Durch das Vorsehen eines solchen Treiberbausteins oder Treibers zum Ansteuern des Halbleiterelements ist der Batteriezelle eine Intelligenz verliehen, die Batteriezelle also als sogenannte SmartCell („Intelligente Batteriezelle") ausgebildet. Dies ermöglicht es, Schaltkriterien abzuleiten oder vorzugeben, etwa durch ein Hinterlegen von Kennlinien oder Kennlinienfeldern in einem Spei- eher des Treiberbausteins. Auf diese Weise kann besonders gut der sichere Betrieb der Batteriezelle gewährleistet werden.
Bevorzugt ist der Treiberbaustein innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet. Dann ist der Treiberbaustein gut geschützt. Des Weiteren können dem Treiberbaustein so besonders gut Signale von Sensoren zugeführt werden, welche Parameter der Batteriezelle erfassen und sich hierfür ebenfalls innerhalb des Batteriezellengehäuses befinden.
Das Halbleiterelement kann als binärer Schalter ausgebildet sein, bei wel- ehern in einem Schaltzustand die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Abieiter und dem zumindest einen elektrischen Anschluss unterbrochen und in dem anderen Schaltzustand die elektrisch leitende Verbindung hergestellt ist. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen eines Leistungstransistors als dem Halbleiterelement realisiert werden.
Alternativ kann jedoch ein elektrischer Widerstand des Halbleiterelements mittels des Treiberbausteins veränderbar sein. So kann ein veränderbarer Widerstand oder Durchlasswiderstand von quasi Null dafür sorgen, dass die elektrisch leitende Verbindung hergestellt ist und ein Widerstand von quasi unendlich für das Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung. Auch bei der Ausführung des Halbleiterelements mit dem veränderbaren Widerstand kann das Halbleitererelement durch einen Leistungstransistor bereitgestellt sein. Das Vorsehen eines Schaltelements mit veränderbarem Widerstand kann beispielsweise dafür genutzt werden, bei einer Batterie mit parallel geschalteten Batteriezellen, welche unterschiedliche Innenwiderstände haben, einen gleichmäßigen Stromfluss durch die parallel geschalteten Batteriezellen sicherzustellen. Unterschiede in den Innenwiderständen können nämlich mit- tels des veränderbaren Widerstands kompensiert werden. Eine auf diese Weise erreichbare gleichmäßige Belastung der parallel geschalteten Batteriezellen führt zu einer besonders langsamen und insbesondere besonders gleichmäßigen Alterung der parallel geschalteten Batteriezellen. Das wenigstens eine Schaltelement ist bevorzugt für niedrige Spannungen und hohe Ströme ausgelegt. Beispielsweise kann es für Spannungen um bis zu 10 Volt ausgelegt sein und für Stromstärken von in Spitzen bis zu 1000 A oder mehr. Die Auslegung ist jedoch abhängig von der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Batteriezelle.
Um derartige Eigenschaften bereitzustellen, kann als Schaltelement beispielsweise ein Leistungstrennschalter mit Reverse-Diode, etwa ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOSFET (metal-oxide-semiconductor field- effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), bevorzugt ein Leistungs-MOSFET, eingesetzt werden. Auch kann auf der Strecke zwischen dem Abieiter und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse als Schaltelement ein elektronisches Relais mit zwei Feldeffekttransistoren (insbesondere mit zwei MOSFETs) vorgesehen sein, welche antiseriell geschaltet sind, bei welchen also die elektrisch hintereinander geschalteten Feldeffekttransistoren Reverse-Dioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung aufweisen. So kann besonders sicher das Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung gewährleistet werden. Zusätzlich oder alternativ kann das wenigstens eine Schaltelement als Galliumnitrid-Schalter (GaN-Schalter) oder derglei- chen Schaltelement mit einem derartigen Material mit einer breiten Bandlücke, etwa in Form von Siliziumkarbid (SiC) ausgebildet sein.
Derartige Halbleiterelemente bringen erhebliche Vorteile im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften mit sich, insbesondere im Hinblick auf die große Stromdichte oder Leistungsdichte, welche pro Halbleiterelement erreichbar ist. Zudem lässt sich so ein besonders kompaktes Schaltelement bereitstellen, welches darüber hinaus besonders hohe Schaltgeschwindigkeiten, insbesondere von einigen hundert kHz (und mehr) zulässt. Auch lassen derartige Halbleiterschalter besonders hohe Betriebstemperaturen von bis zu 250 Grad Celsius zu, ohne dass es zu einer irreversiblen Schädigung des Schaltelements kommt. Darüber hinaus lassen sich mit den genannten Halbleiterelementen besonders niedrige Durchlasswiderstände realisieren, welche mit wünschenswert geringen Schaltverlusten einhergehen. Insbesondere kann das wenigstens eine Schaltelement als sogenannter Gate Injection Transistor (GIT) ausgelegt werden, etwa als ein GaN-Transistor selbstsperrenden Typs. Ein solcher GaN-Transistor weist nämlich die oben genannten vorteilhaften Eigenschaften in besonders hohem Maße auf. Ein solches Schaltelement lässt ohne Steuerspannung am Gate-Anschluss kei- nen Strom hindurch. Es befindet sich ohne Steuerspannung also im Aus- Zustand, in welchem die elektrisch leitende Verbindung unterbrochen ist. Dies ist aus Sicherheitsgründen vorteilhaft. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zum Versorgen des Treiberbausteins mit elektrischer Energie der Treiberbaustein mit dem galvanischen Element gekoppelt ist. Dann bezieht nämlich der Treiberbaustein die zum Schalten des Schaltelements notwendige elektrische Energie direkt aus der Batteriezelle. Dies ist im Hinblick auf die von der Batteriezelle bereitgestellte elektrische Energie jedoch unproblematisch, da der Treiberbaustein mit einer sehr geringen Energiemenge auskommt, also bevorzugt eine Low-Power- Ausführung, insbesondere eine Ultra-Low-Power-Ausführung ist.
Zusätzlich oder alternativ kann zum Versorgen des Treiberbausteins dersel- be mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt sein, etwa mit einem in dem Batteriezellengehäuse angeordneten Kondensator. Das Vorsehen eines solchen separaten Energiespeichers macht das Bereitstellen der elektrischen Energie für den Treiberbaustein von der elektrischen Energie unabhängig, welche das galvanische Element der Batteriezelle bereitstellt. So kann stets ein sicheres Schalten des Schaltelements gewährleistet werden. Insbesondere kann ein solcher elektrischer Energiespeicher beim Laden der Batteriezelle mitgeladen werden. Bei Verwendung einer eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisenden Batterie im Fahrzeug kann dies etwa während des sogenannten Rekuperationsbetriebs erfolgen. Der separate Energiespeicher kann jedoch auch nach einem Anschließen der Batterie an eine Stromquelle mitgeladen werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn mittels des Treiberbausteins wenigstens ein Parameter aus einer Gruppe erfassbar ist, welcher eine Stromstärke eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms umfasst. Hierbei ist der Treiberbaustein dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Parameter einen Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements zu verändern. So kann beispielsweise sichergestellt werden, dass bei hohen Kurzschlussströmen, etwa Strömen einer Stromstärke von 2 kA bis 4 kA, eine sichere, insbesondere mehrfache Trennung des galvanischen Elements von den Anschlüssen oder Batteriepolen und somit ein Abschalten der Batteriezelle erfolgt. So ist eine zusätzliche Sicherheitsvorkehrung in die Batteriezelle integriert. Zusätzlich oder alternativ kann etwa mittels zumindest eines mit dem Treiberbaustein gekoppelten Sensors beispielsweise eine Temperatur als der wenigstens eine Parameter erfasst werden. Wenn nämlich beispielsweise aufgrund des Betriebs des Schaltelements das Schaltelement eine ver- gleichsweise hohe Temperatur aufweist, kann dessen Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt sein. In einem solchen Fall kann der Treiberbaustein dafür sorgen, dass erst dann der Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements verändert wird, wenn das Schaltelement wieder kühl genug ist, um sicher seine Schaltfunktion wahrnehmen zu können. So ist ein Übertempera- turschutz integriert und etwa bei einem möglichen Kurzschluss eine sichere Trennung gewährleistet.
Es ist jedoch zusätzlich oder alternativ auch möglich, dass bei zu hoher Temperatur der Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements derart verändert wird, dass die leitende Verbindung unterbrochen wird. So kann bei einem möglichen Kurzschluss die Batteriezelle sicher abgeschaltet werden.
Auch bei einer Temperaturbelastung von außerhalb der Batteriezelle, also bei einer Wärmebeaufschlagung, welche nicht durch Vorgänge innerhalb der Batteriezelle bewirkt ist, kann der Treiberbaustein zur Sicherheit das Schaltelement ansteuern und die elektrisch leitende Verbindung unterbrechen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn es infolge eines Brands einer weiteren Batteriezelle oder anderer Komponenten der Batterie (oder einer an die Batterie angrenzenden Komponente) zu einem Wärmeeintrag in die Bat- teriezelle kommt. Informationen über derartige, in der Batteriezelle auftretende oder aus der Umgebung der Batteriezelle auf die Batteriezelle einwirkende Wärmebelastungen können bevorzugt mittels des Treiberbausteins kommuniziert werden, etwa an eine übergeordnete Steuerungseinrichtung der Batterie. Zusätzlich oder alternativ können derartige Informationen in einem Speicher des Treiberbausteins abgelegt und bei Bedarf ausgelesen werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn mittels zumindest eines mit dem Treiberbaustein gekoppelten Sensors oder mittels des Treiberbausteins selber eine Spannung und/oder ein Druck und/oder eine Beschaffenheit ei- nes Elektrolyten des galvanischen Elements und/oder eine Beschleunigung erfasst werden kann, wobei der Treiberbaustein dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von wenigstens einem solchen Parameter den Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements zu verändern. So kann beispielsweise beim Überschreiten eines Schwellenwerts eines derartigen Parameters die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter und dem elektrischen Anschluss unterbrochen werden. Auf diese Weise kann insbesondere dafür gesorgt werden, dass eine fehlerhafte Batteriezelle von einem Batteriezellenverbund der Batterie galvanisch getrennt wird.
Insbesondere kann ein Überladungsschutz bereitgestellt werden, wenn etwa beim Überschreiten eines Höchstwerts der Temperatur, der Stromstärke o- der der Spannung die Batteriezelle abgeschaltet oder freigeschaltet wird. Auch kann ein solches Selbstauslösen der Batteriezelle nach Art einer Schmelzsicherung beim Überschreiten von Höchstwerten etwa der Temperatur, der Stromstärke, des Drucks oder dergleichen realisiert werden.
Der Sicherheit der Batteriezelle ist es des Weiteren zuträglich, wenn in Ab- hängigkeit von der Beschleunigung der Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements verändert wird. So kann bei einem mit der Batterie ausgestatteten Kraftfahrzeug etwa im Fall eines Aufpralls für ein Spannungsfrei- Schalten der Batteriezelle gesorgt werden. Bevorzugt ist der Treiberbaustein dazu ausgebildet, eine Funktionstüchtigkeit des wenigstens einen Schaltelements zu überprüfen. Es kann also in den Treiberbaustein eine Selbstdiagnosefunktion integriert sein, bei welcher etwa in vorgebbaren Zeitabständen das wenigstens eine Schaltelement überprüft wird. Hierfür können mittels des Treiberbausteins Messungen am Schaltele- ment vorgenommen werden, welche über dessen Zustand Aufschluss geben.
Eine solche Eigendiagnose kann in vorgebbaren, programmierbaren Zeitintervallen vorgesehen oder extern angestoßen sein. Beispielsweise kann eine solche Abfrage des Status des Schaltelements oder von dessen Funktionstüchtigkeit von einer externen Steuerungseinrichtung etwa in Form eines Mikroprozessors eines Batteriemanagementsystems angestoßen werden. So kann bei einem Fehler des Schaltelements für ein dauerhaftes Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung gesorgt werden. Andererseits kann durch das Überprüfen des Schaltelements festgestellt werden, ob das Schaltelement zuverlässig in seine unterschiedlichen Schaltzustände überführt werden kann. Das Vorliegen eines fehlerhaften Schaltelements kann dann einer Bedienperson kommuniziert und das Schaltelement bei Bedarf ausgetauscht werden. Bevorzugt ist es weiterhin, wenn der Treiberbaustein zum Kommunizieren mit einer Steuerungseinrichtung der Batterie ausgelegt ist. Hierbei kann eine leitungsgebundene und/oder drahtlose Kommunikation vorgesehen sein. So können ein Fehler und/oder ein jeweiliger Schaltzustand des Schaltelements der Steuerungseinrichtung, etwa einem Batteriemanagementsystem, mitgeteilt werden. Zudem kann die Steuerungseinrichtung den Treiberbaustein ansteuern und so insbesondere im Hinblick auf den Zustand der gesamten Batterie hin das Unterbrechen oder das Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung durch den Treiberbaustein bewirken lassen, welcher das Schaltelement ansteuert.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das wenigstens eine Schaltelement durch Anlegen einer Steuerspannung aus einem die elektrisch lei- tende Verbindung zwischen dem Abieiter und dem zumindest einen elektrischen Anschluss unterbrechenden Schaltzustand in einen die elektrisch leitende Verbindung herstellenden Schaltzustand bringbar ist. Dann sind im spannungsfreien Zustand die Schaltelemente offen und die Batteriepole oder Anschlüsse spannungsfrei. So kann nicht versehentlich an den Anschlüssen eine Spannung anliegen, sondern hierfür muss die Steuerspannung aufgebracht werden.
Das Schaltelement kann an dem jeweiligen Abieiter oder an dem jeweiligen Anschluss angeordnet sein. Hierfür kann das beispielsweise als Halblei- terelement ausgebildete Schaltelement auf einem Anschlussrahmen oder Leadframe angeordnet sein, welcher wiederum etwa mit dem Abieiter beispielsweise durch Schweißen, Crimpen oder kraftschlüssig, insbesondere durch eine Presspassung, verbunden ist. In analoger Weise kann der Leadframe auch am elektrischen Anschluss oder Terminal der Batteriezelle ange- ordnet sein. Eine derartige Anordnung des Schaltelements ist insbesondere im Hinblick auf den innerhalb des Batteriezellengehäuses zur Verfügung stehenden Bauraum vorteilhaft. Zudem lässt sich so besonders gut ein wärmeleitender Kontakt zwischen dem Schaltelement, insbesondere Halbleiterelement, und dem Batteriezellengehäuse herstellen. Auf diese Weise kann be- sonders gut Wärme von dem Schaltelement abgeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Batteriezelle Mittel zum irreversiblen Zerstören eines elektrischen Kontakts zwischen dem wenigstens einen Schaltelement und dem Abieiter und/oder dem zumindest einen elektrischen Anschluss. Durch Aktivieren der Mittel kann dann nach Art einer Selbstzerstörungsfunktion das Schaltelement derart zerstört werden, dass die elektrisch leitende Verbindung dauerhaft unterbrochen ist. Dies macht zwar die einzelne Batteriezelle unbrauchbar, jedoch lässt sich so Schaden von weiteren Batteriezellen der Batterie abwenden.
Darüber hinaus kann eine weitere Schalteinrichtung, beispielsweise ein Relais und/oder ein Halbleiterschaltelement über jeweilige Stromschienen mit den beiden Anschlüssen der Batteriezelle verbunden sein. Wenn die Schalt- einrichtung geöffnet ist, so fließt kein Strom über die Stromschienen (und die Schalteinrichtung) über die Anschlüsse der Batteriezelle. In dem geöffneten Zustand kann also die Batteriezelle bestimmungsgemäß zum Bereitstellen von elektrischer Energie und/oder zum Laden verwendet werden. Wenn die Schalteinrichtung jedoch geschlossen ist, so kann der Strom über die Strom- schiene und die Schalteinrichtung zwischen den Anschlüssen der Batteriezelle fließen. In diesem Fall ist das galvanische Element dieser Batteriezelle überbrückt.
Wenn also der Treiberbaustein etwa anhand der Sensordaten eine Schädi- gung der Batteriezelle ermittelt hat, ist kann der Treiberbaustein auch die weitere Schalteinrichtung zum Schließen anzusteuern. Diese Möglichkeit des Überbrückens ist insbesondere bei einer Reihenschaltung von Batteriezellen besonders vorteilhaft. Wenn nämlich eine der seriell geschalteten Batteriezellen fehlerhaft ist, also eine Schädigung aufweist, so kann diese Batterie- zelle durch Schließen der Schalteinrichtung überbrückt werden.
Wenn die geschädigte Batteriezelle mit anderen gleichartigen Batteriezellen in Reihe geschaltet ist und der Stromfluss durch die geschädigte Batteriezelle unterbrochen wird, so ist der Stromfluss in der Reihenschaltung unterbro- chen. Durch Schließen der Schalteinrichtung kann jedoch die fehlerhafte Batteriezelle auf einfache Weise überbrückt werden und der Strom über die Schalteinrichtung der fehlerhaften Batteriezelle zu den benachbarten Batteriezellen geführt werden. Anders ausgedrückt kann ein Stromfluss innerhalb der Reihenschaltung und somit eine Funktionstüchtigkeit der gesamten Bat- terie aufrecht erhalten werden. Dadurch kann die Batterie, welche beispielsweise in dem Kraftfahrzeug zum Antreiben des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, weiterhin elektrische Energie bereitstellen. Entsprechend hat in vorteilhafter Weise ein Fahrer des Kraftfahrzeugs die Möglichkeit, eine Werkstatt auf- zusuchen. Die Schalteinrichtung und die Stromschienen können insbesondere innerhalb des Batteriezellengehäuses angeordnet sein.
Das irreversible Zerstören des elektrischen Kontakts kann insbesondere durch eine chemische Reaktion und/oder durch eine Temperaturerhöhung und/oder durch einen Druck bewirkt werden. Beispielsweise kann durch eine Wärmebeaufschlagung ein Durchbrennen des elektrischen Kontakts nach Art einer Schmelzsicherung realisiert werden, indem sehr lokal und lange genug eine genügend hohe Temperatur erzeugt wird. Diese kann beispielsweise bei mehr als 300 Grad Celsius liegen und damit eine eigenständige Deaktivie- rung der Batteriezelle einleiten. Das irreversible Zerstören kann beispielsweise durch lokales Heizen oder pyrotechnisch oder durch die chemische Reaktion bewirkt werden, welche wiederum thermisch oder durch Druckerhöhung ausgelöst werden kann. Beispielsweise können hierbei reaktive Chemikalien, welche bei einer Reaktion miteinander lokal Wärme freisetzen und/oder das Auftreten eines entsprechend hohen Drucks bewirken, zum Zerstören der elektrischen Kontakte eingesetzt werden.
Bei der Verwendung einer solchen speziellen Einheit oder eines Packages an Chemikalien sind diese bevorzugt derart beschaffen, dass sie nicht mit dem Elektrolyten des galvanischen Elements oder mit anderen Bauteilen der Batteriezelle, insbesondere mit dem Treiberbaustein, reagieren oder den Elektrolyten beziehungsweise das Bauteil korrodieren. So ist nämlich sicher vermieden, dass eine frühzeitige Auslösung der Selbstzerstörungsfunktion und damit eine Deaktivierung der Batteriezelle herbeigeführt wird.
Zusätzlich oder alternativ können die Mittel zum Deaktivieren des galvanischen Elements ausgebildet sein, etwa indem der Elektrolyt des galvanischen Elements chemisch deaktiviert oder unschädlich gemacht wird. Auch dann sind nämlich alle weiteren chemischen Reaktionen der galvanischen Zelle unterbunden. Auch eine solch Selbstzerstörungsfunktion kann durch Vorsehen einer Einheit mit Chemikalien bewirkt werden, welche im Inneren des Batteriezellengehäuses angeordnet ist. Eine solche Einheit kann elektrisch oder durch eine chemische Reaktion ausgelöst werden, um in der Folge das Deaktivieren des galvanischen Elements zu bewirken.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Schaltzustand des Schaltelements von außen wahrnehmbar ist. Dies ist beispielsweise für den Versand, die Lagerung und das Zusammenbauen der Batterie aus den Bat- teriezellen von Vorteil, da dann von außerhalb des Batteriezellengehäuses leicht festgestellt werden kann, ob an den elektrischen Anschlüssen der Batteriezelle eine Spannung anliegt oder nicht. Beispielsweise kann bei geschlossenem Schaltelement ein sich änderndes elektrisches oder magnetisches Feld innerhalb der Batteriezelle detektiert werden und ein derartiges Signal verstärkt werden. Auf diese Weise kann ein äußerer, aktiver Indikator bereitgestellt werden. Es kann jedoch auch ein passiver Indikator außen an dem Batteriezellengehäuse vorgesehen sein, etwa eine Lampe, insbesondere eine Leuchtdiode, deren Licht über den Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements Auskunft gibt. Eine solche Leuchtdiode kann insbesondere mit der elektrischen Energie versorgt werden, welche das galvanische Element bereitstellt. Dann wird keine externe Energiequelle benötigt. Es kann jedoch auch eine drahtlose Energieüber- tragung etwa über Lichtwellen vorgesehen sein.
Mittels der vorstehend beschriebenen schaltbaren Batteriezelle kann die funktionale Sicherheit der Batteriezelle selber sowie aller Bauteile und Komponenten derselben gemäß international spezifizierter Sicherheitsanforde- rungen sichergestellt werden, beispielsweise gemäß dem D-Level der ASIL (Automotive Safety Integrity Level, Niveau der Intaktheit im Hinblick auf die Sicherheit bei mobilen Anwendungen).
Auch eine Feststellung, ob das Schaltelement geschlossen oder geöffnet ist, kann gemäß dem D-Level der ASIL sicher getroffen werden.
Die erfindungsgemäße Batterie umfasst eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Batteriezellen, welche in Reihe geschaltet und/oder parallel geschaltet sein können.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine erfindungsgemäße Batterie. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Personenkraftwagen, insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Des Weiteren kann es sich bei dem Kraftfahrzeug auch um ein elektrisch betriebenes Motorrad oder um ein elektrisch betriebenes Fahrrad handeln.
Es ist des Weiteren möglich, die Batterie in einem stationären Energiespeichersystem vorzusehen. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die Batterie, welche in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt war, als sogenannte Second Life Batterie weiterverwendet wird, bei welcher also die Batterie einer anders gearteten Nutzung zugeführt wird. Insbesondere bei Second Life Anwendungen können nämlich die Anforderungen etwa an die Leistungsfä- higkeit der Batteriezellen geringer sein als bei Verwendung der Batteriezellen für die Batterie des Kraftfahrzeugs.
Die für die erfindungsgemäße Batteriezelle beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Batte- e und für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombina- tionen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombi- nationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh- rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Batteriezelle einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, bei welcher zwischen den Elektroden eines galvanischen Elements der Batteriezelle und den elektrischen Polen der Batteriezelle Halbleiter-Schaltelemente angeordnet sind, welche von einem Treiberbaustein angesteuert werden können, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden und den Polen zu unterbrechen; und Fig. 2 schematisch die Batteriezelle gemäß Fig. 1 , wobei jedoch ein
Widerstand der Halbleiter-Schaltelemente mittels des Treiberbausteins verändert werden kann. In Fig. 1 ist schematisch eine Battehezelle 10 gezeigt, wie sie beispielsweise in einer Batterie eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen kann. Die Batteriezelle 10 kann hierfür etwa als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. In einer Batterie, wie sie als Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt, ist üblicherweise eine Vielzahl solcher Batteriezellen 10 elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, um entsprechend hohe Spannungen und Ströme bereitzustellen.
Bei einer Reihenschaltung solcher Batteriezellen 10 kann insgesamt eine sehr hohe Spannung und zwar eine Spannung von mehreren hundert Volt der Batterie auftreten, etwa weil mehrere Batteriemodule, welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 enthalten, elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Diese hohen Spannungen aber auch das Auftreten von Kurzschlüssen oder Lichtbögen können eine Gefährdung für Personen mit sich bringen. Derartige Gefährdungen gilt es zu vermeiden oder zu reduzieren. Dies kann durch die mit Bezug auf die Figuren beschriebene Batteriezelle 10 erreicht werden.
Die Batteriezelle 10 umfasst ein Batteriezellengehäuse 12, welches vorlie- gend beispielhaft prismatisch ausgebildet ist. Innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 ist ein galvanisches Element 14 angeordnet, welches mit einem jeweiligen elektrochemischen Material beschichtete Abieiter 16, 18 umfasst. Vorliegend sind von das elektrochemisch aktive Material und die Abieiter 16, 18 umfassenden Elektroden des galvanischen Elements 14 zur Vereinfa- chung lediglich der zu einem ersten elektrischen Anschluss 20 (etwa einem Pluspol) der Batteriezelle 10 führende Abieiter 16 gezeigt und der zu einem zweiten elektrischen Anschluss 22 der Batteriezelle 10 führende Abieiter 18, also der zum Minuspol führende Abieiter 18. Bei der in Fig. 1 gezeigten Batteriezelle 10 ist es jedoch möglich, das galvanische Element 14 elektrisch von den Anschlüssen 20, 22 zu trennen. Hierfür ist ein erstes Schaltelement 24 vorgesehen, mittels welchem sich eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Abieiter 16 und dem Anschluss 20 unterbrechen lässt, indem das Schaltelement 24 geöffnet wird. Durch Schließen des Schaltelements 24 lässt sich die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Abieiter 16 und dem Anschluss 20 herstellen.
In analoger Weise ist ein zweites Schaltelement 26 vorgesehen, mittels welchem sich die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Abieiter 18 und dem Anschluss 22 unterbrechen beziehungsweise herstellen lässt. Die Schaltelemente 24, 26, welche beispielsweise als Halbleiterelemente ausgebildet sein können, werden vorliegend von einem Treiberbaustein 28 geschaltet, welcher ebenso wie die Schaltelemente 24, 26 innerhalb des Batte- riezellengehäuses 12 angeordnet ist. Mittels des Treiberbausteins 28 lässt sich beispielsweise die Stromstärke des durch die Batteriezelle 10 fließenden Stroms erfassen. Bei zu hohem Strom, wie er etwa bei einem Kurzschluss auftritt, kann dann der Treiberbaustein 28 ein Öffnen der Schaltelemente 24, 26 bewirken, etwa indem das Anlegen einer Steuerspannung an die Schalt- elemente 24, 26 unterbunden wird. Ebenso kann in Abhängigkeit von einem Höchstwert beispielsweise der mittels des Treiberbausteins 28 erfassten Spannung der Batteriezelle 10 ein Öffnen der Schaltelemente 24, 26 bewirkt werden. Durch das Vorsehen des Treiberbausteins 28 ist der Batteriezelle 10 eine Intelligenz verliehen, welche es erlaubt, das Schaltverhalten der Schaltelemente 24, 26 abhängig von einer Vielzahl von Einflussparametern dynamisch zu programmieren. Hierfür kann der Treiberbaustein 28 weitere Parameter berücksichtigen, welche beispielsweise von innerhalb des Batteriezel- lengehäuses 12 oder außerhalb des Batteriezellengehäuses 12 angeordneten Sensoren 30 erfasst werden. Solche Sensoren 30 können beispielsweise eine Temperatur, einen Druck, Beschleunigungen, insbesondere Beschleunigungen in drei aufeinander senkrecht stehende Richtungen, eine Beschaffenheit eines Elektrolyten des galvanischen Elements 14 und dergleichen erfassen. Durch Berücksichtigung derartiger Parameter lassen sich eine Vielzahl von Einschaltkriterien und Ausschaltkriterien etwa über Kennlinienfelder festlegen. So kann für ein Unterbrechen beziehungsweise Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den Abieitern 16, 18 und den elektrischen Anschlüssen 20, 22 in Abhängigkeit von einer Vielzahl der genannten Parameter gesorgt werden.
Zum Verändern des Schaltzustands der Schaltelemente 24, 26 können auch Informationen herangezogen werden, welche dem Treiberbaustein 28 von einer übergeordneten Stelle übermittelt werden, etwa von einer Steuerungs- einrichtung, wie sie in einem Batteriemanagementsystem vorhanden ist. Eine hierfür vorgesehene, beispielsweise drahtlose Kommunikationsverbindung 32 des Treiberbausteins 28 ist in Fig. 1 gezeigt. So kann beispielsweise dafür gesorgt werden, dass eine einzelne, fehlerhafte Batteriezelle 10 abge- schaltet wird, während die weiteren Batteriezellen 10 der Batterie weiterhin elektrische Energie für den Vortrieb des Fahrzeugs bereitstellen können.
Der Treiberbaustein 28 kann mit der elektrischen Energie versorgt werden, welche das galvanische Element 14 bereitstellt. Zusätzlich oder alternativ kann zum Bereitstellen der sehr geringen Energiemenge, welche der Treiberbaustein 28 benötigt, ein gesonderter Energiespeicher etwa in Form eines kleinen Kondensators vorgesehen sein. Bei der in Fig. 1 gezeigten Batteriezelle 10 ist der natürliche Schaltzustand der bevorzugt als Halbleiterelemente ausgebildeten Schaltelemente 24, 26 offen, so dass beide Batteriepole oder Anschlüsse 20, 22 üblicherweise spannungsfrei sind. Durch Beaufschlagen der Schaltelemente 24, 26 mit der Steuerspannung durch den Treiberbaustein 28 wird dann die elektrisch lei- tende Verbindung zwischen dem galvanischen Element 14 und den elektrischen Anschlüssen 20, 22 hergestellt.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Batteriezelle 10 lassen sich die Schaltelemente 24, 26 lediglich öffnen oder schließen, wobei bei geschlossenem Schaltele- ment 24, 26 ein maximaler Stromfluss durch das jeweilige Schaltelement 24, 26 ermöglicht ist. Hierfür können die Schaltelemente 24, 26 beispielsweise als Leistungstransistoren ausgebildet sein.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Batteriezelle 10 lässt sich hingegen ein Wider- stand der Schaltelemente 24, 26 mittels des Treiberbausteins 28 verändern. Auch derartige Schaltelemente 24, 26 können als Halbleiterelemente, beispielsweise als Leistungstransistoren mit veränderbarem Durchlasswiderstand ausgeführt sein. Mittels solcher Schaltelemente 24, 26 lässt sich bei maximalem Widerstand (R = °°) die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Abieitern 16, 18 und den elektrischen Anschlüssen 20, 22 unterbrechen. Des Weiteren lässt sich jedoch durch Verändern des Widerstands der über die Schaltelemente 24, 26 fließende Strom variieren. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn parallel geschaltete Batteriezellen 10 gleichmäßig belastet werden sollen, wobei die Batteriezellen 10 unterschiedliche Innenwiderstän- de aufweisen.
Die Schaltelemente 24, 26 können zum Beispiel an dem als Sammelkontakt- blech ausgebildeten Abieiter 16, 18 angeordnet sein, etwa indem sie geschweißt, gecrimpt oder durch Presspassung befestigt sind. Die Schaltele- mente 24, 26 können jedoch auch in die Anschlüsse 20, 22 integriert sein, welche auch als Terminals der Batteriezelle 10 bezeichnet werden. Die Kühlung der Schaltelemente 24, 26 kann über das Batteriezellengehäuse 12 erfolgen.
Dadurch, dass der Treiberbaustein 28 Parameter wie die Stromstärke und die Spannung erfasst und/oder über die Sensoren 30 Messwerte übermittelt bekommt, welche die Temperatur, den Druck, Beschleunigungen und dergleichen betreffen, können die Schaltelemente 24, 26 mit einer integrierten Selbstauslösefunktion ausgestattet sein. So kann bei einem Überschreiten von Höchstwerten der genannten Parameter die elektrisch leitende Verbindung unterbrochen werden. So kann eine selbständige Auslösung analog einer Schmelzsicherung erfolgen, welche jedoch reversibel ist. Insbesondere durch Erfassen der Temperatur im Inneren des Batteriezellengehäuses 12 oder auch außerhalb des Batteriezellengehäuses 12 kann ein Übertemperaturschutz realisiert werden, durch den sichergestellt ist, dass erst dann eine Freischaltung der Batteriezelle 10 erfolgt, wenn das jeweilige Schaltelement 24, 26 ausreichend kalt ist. So kann bei einem stets mögli- chen Kurzschluss die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Abieitern 16, 18 und den Anschlüssen 20, 22 sicher getrennt werden. Es kann jedoch auch bei einer zu hohen Temperatur eine automatische Freischaltung oder ein automatisches Abschalten der Batteriezelle 10 zur Absicherung erfolgen. Zusätzlich ist ein irreversibles Zerstören der Schaltelemente 24, 26 oder deren elektrischer Kontakte zu den elektrischen Anschlüssen 20, 22 und/oder den Abieitern 16, 18 möglich. Hierfür kann zum Beispiel ein spezielles Pack- age innerhalb des Batteriezellengehäuses 12 vorgesehen sein, welches sicher, lokal und über eine ausreichend lange Zeitspanne hinweg eine Tempe- ratur von beispielsweise mehr als 300 Grad Celsius bereitstellt und so eine eigenständige Deaktivierung der Batteriezelle 10 einleitet. Ein solches Selbstzerstören kann durch ein elektrisches Signal, etwa durch ein Heizen, oder pyrotechnisch wie beim Auslösen eines Airbags oder durch eine chemische Reaktion ausgelöst werden. Hierbei kann ein thermisches Anstoßen oder ein erhöhter Druck für das Auslösen der chemischen Reaktion sorgen. Ein solches Package mit Chemikalien kann auch - beispielsweise elektrisch oder durch eine chemische Reaktion ausgelöst - dafür sorgen, dass der Elektrolyt des galvanischen Elements 14 chemisch deaktiviert beziehungsweise unschädlich gemacht wird. Auch dann sind die chemischen Reaktio- nen des galvanischen Elements 14 unterbunden, welche zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung an dem galvanischen Element 14 führen.
Der Treiberbaustein 28 kann eine Selbstdiagnosefunktion etwa nach Art ei- nes Built-in-self-test (BIST) aufweisen, um beispielsweise in programmierbaren Zeitintervallen eine Eigendiagnose anzustoßen. Es kann jedoch auch durch einen externen Trigger wie beispielsweise den Mikroprozessor des Batteriemanagementsystems angestoßen werden, dass eine solche Abfrage der Funktionstüchtigkeit der Schaltelemente 24, 26 erfolgen soll.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Batteriezelle für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs mit einem Batteriezellengehäuse (12), in welchem ein galvanisches Element (14) aufgenommen ist, und mit zwei elektrischen Anschlüssen (20, 22), über welche die Batteriezelle (10) mit wenigstens einer weiteren Batteriezelle der Batterie elektrisch verbindbar ist,
gekennzeichnet durch
wenigstens ein Schaltelement (24, 26), welches zum Unterbrechen und zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Abieiter (16, 18) des galvanischen Elements (14) und zumindest einem der elektrischen Anschlüsse (20, 22) ausgebildet ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine Schaltelement (24, 26) als Halbleiterelement ausgebildet ist, welches mittels eines, insbesondere innerhalb des Batteriezellengehäuses (12) angeordneten, Treiberbausteins (28) schaltbar ist.
Batteriezelle nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein elektrischer Widerstand des Halbleiterelements mittels des Treiberbausteins (28) veränderbar ist.
Batteriezelle nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Versorgen des Treiberbausteins (28) mit elektrischer Energie der Treiberbaustein (28) mit dem galvanischen Element (14) und/oder mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere mit einem Kondensator, gekoppelt ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels des Treiberbausteins (28) und/oder mittels zumindest eines mit dem Treiberbaustein (28) gekoppelten Sensors (30) wenigstens ein Parameter aus einer Gruppe erfassbar ist, welche
- eine Stromstärke eines durch die Batteriezelle (10) fließenden Stroms und/oder
- eine Spannung und/oder - eine Temperatur und/oder
- einen Druck und/oder
- eine Beschaffenheit eines Elektrolyten des galvanischen Elements (14) und/oder
- eine Beschleunigung
umfasst, wobei der Treiberbaustein (28) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Parameter einen Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements (24, 26) zu verändern. 6. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der, insbesondere zum Kommunizieren mit einer Steuerungseinrichtung der Batterie ausgelegte, Treiberbaustein (28) dazu ausgebildet ist, eine Funktionstüchtigkeit des wenigstens einen Schaltelements (24, 26) zu überprüfen.
7. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine, insbesondere an dem Abieiter (16, 18) oder an dem Anschluss (20, 22) angeordnete, Schaltelement (24, 26) durch Anlegen einer Steuerspannung aus einem die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Abieiter (16, 18) und dem zumindest einen elektrischen Anschluss (20, 22) unterbrechenden Schaltzustand in einen die elektrisch leitende Verbindung herstellenden Schaltzustand bringbar ist.
8. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch
Mittel zum, insbesondere durch eine chemische Reaktion und/oder durch eine Temperaturerhöhung und/oder durch einen Druck bewirkten, irreversiblen Zerstören eines elektrischen Kontakts zwischen dem wenigstens einen Schaltelement (24, 26) und dem Abieiter (16, 18) und/oder dem zumindest einen elektrischen Anschluss (20, 22) und/oder zum Deaktivieren des galvanischen Elements (14). 9. Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer Batterie nach Anspruch 9.
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