WO2018215233A1 - Sensoranordnung und batteriesystem aufweisend eine derartige sensoranordnung - Google Patents

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WO2018215233A1
WO2018215233A1 PCT/EP2018/062439 EP2018062439W WO2018215233A1 WO 2018215233 A1 WO2018215233 A1 WO 2018215233A1 EP 2018062439 W EP2018062439 W EP 2018062439W WO 2018215233 A1 WO2018215233 A1 WO 2018215233A1
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conductive layer
sensor arrangement
insulating layer
electrically insulating
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PCT/EP2018/062439
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Morteza Fakhri
Nils Ohmer
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Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a sensor arrangement and a
  • Battery system comprising such a sensor arrangement.
  • Sensor arrays are known for a variety of applications. In particular, they serve to detect a mechanical damage such as by a shock or an impact.
  • the document WO 2008/118296 A2 describes a sensor. This comprises a first conductive layer and a second conductive layer, wherein the first conductive layer and the second conductive layer are separated by an electrically insulating layer. The first electrically conductive layer and the electrically insulating layer are deformable, so that the
  • Separation of the first electrically conductive layer and second electrically conductive layer can be lifted in a shock.
  • CN 102374911 describes a force sensor comprising two oppositely disposed electrodes with a membrane disposed therebetween. In this case, a corrugated shape of the membrane is provided. Disclosure of the invention
  • the present invention relates to a sensor arrangement for detecting a shock, comprising a first electrically conductive layer and a second electrically conductive layer, wherein the first electrically conductive layer is separated from the second electrically conductive layer by an electrically insulating layer, wherein between the first electrically conductive Layer and the second electrically conductive layer, an electrical voltage can be applied, wherein the first electrically conductive layer is provided with an electrically conductive Penetrier Modell for penetrating the electrically insulating layer.
  • Such a sensor arrangement can provide a reliable and highly variable possibility of shock detection.
  • the above-described sensor arrangement is used to detect a shock.
  • the sensor arrangement may be part of a battery system, such an application or positioning not being restrictive.
  • the sensor arrangement comprises a first electrically conductive layer and a second electrically conductive layer, wherein the first electrically conductive layer is separated from the second electrically conductive layer by an electrically insulating layer having a thickness di.
  • an electrical voltage can be applied between the first electrically conductive layer and the second electrically conductive layer, for example via the connection of a basically freely selectable voltage source.
  • the voltage source may be the battery system itself or a part such as a module or a cell of the battery system.
  • the first electrically conductive layer is provided with an electrically conductive Penetrier réelle which is provided for penetrating the electrically insulating layer and thus serves to connect the electrically conductive layers in the event of a shock.
  • the electrically insulating layer has a thickness di and that the penetrating structure has a thickness d2, where d2 is greater than or equal to di.
  • an electrical contacting of the electrically conductive layers can take place in a particularly simple manner.
  • the electrically insulating layer has a thickness di and that the penetrating structure has a thickness d2, wherein d2 is smaller than di.
  • the electrically insulating layer should be easily compressible, so that the penetrating structure can penetrate the electrically insulating layer and the electrically insulating layer can be compressed to short-circuit the two electrically conductive layers.
  • the compressibility of the electrically insulating layer is in particular selectable depending on the desired sensitivity of the sensor arrangement.
  • the penetrating structure is particularly designed to be pressed by a pressure in the electrically insulating layer or to penetrate. Due to the fact that the penetration structure is electrically conductive, the first electrically conductive layer and the second electrically conductive layer are short-circuited by the penetrating structure, which is directly recognizable by applying a voltage to the first and the second electrically conductive layer by means of a voltage measurement. Such a short circuit of the two electrically conductive layers can be easily measured, which further allows easy detection of a fault or a mechanical impairment, such as a mechanical force effect. Thus, for example, detection may be used as a trigger signal for more advanced actions to secure a system, such as a battery system, equipped with such a sensor, as described in detail below.
  • the sensor may function if the electrical conductivity of the first electrically conductive layer and / or the second electrically conductive layer and / or in particular of the penetrating structure is greater in each case is than that of the electrically insulating layer, since thus already a voltage change between the first electrically conductive layer and the second electrically conductive layer can be measured.
  • the electrical conductivity of the first electrically conductive layer and / or the second electrically conductive layer and / or in particular of the penetrating structure is greater in each case is than that of the electrically insulating layer, since thus already a voltage change between the first electrically conductive layer and the second electrically conductive layer can be measured.
  • limiting values include an electrical conductivity of greater than or equal to 10 7 S / m for the first and second electrically conductive layer and the penetrating structure and an electrical conductivity of less than or equal to 10 -8 S / m for the electrically-insulating layer.
  • detection of a penetration of the sensor for example by a foreign part not attributable to the sensor, can also be effected by detecting comparatively small mechanical influences, such as, in particular, shocks, which can further improve the detection width.
  • a mechanical impairment referred to as a crash accident for example, one with the sensor assembly
  • Sensor arrangement can be detected. Only a single, flexible sensor arrangement is necessary.
  • the above-described sensor arrangement is not limited to the detection of external penetration into the sensor. Rather, for the triggering of a short circuit, a pressure from outside is sufficient for the sensor arrangement, in order thus to press the penetrating structure into the electrically insulating layer as far as the second electrically conductive layer and to cause a short circuit.
  • a detection width in particular in combination with a flexible applicability is not known from the prior art or can not be realized by the solutions known from the prior art.
  • Embodiment of Penetrier founded, for example, shape and / or hardness, such as the size of particles or the configuration of a serrated profile, as described below, and set by the choice of d2 and di or the hardness of the electrically insulating layer in the desired manner.
  • the penetrating structure may be arranged completely adjacent to the electrically insulating layer or, if appropriate, already projects partially into the electrically insulating layer.
  • the penetrating structure may be arranged on the surface of the first electrically conductive layer facing the electrically insulating layer, or the penetrating structure may be arranged on the surface of the first electrically conductive layer facing away from the electrically insulating layer.
  • the penetrating structure can be pressed directly into the electrically insulating layer, whereas in the latter case, the penetrating structure can optionally additionally puncture the first electrically conductive layer.
  • the penetrating structure may have in its properties to the electrically insulating layer and optionally the first electrically conductive layer adapted or tailored for a defined penetration at a defined pressure.
  • the sensitivity can be further increased or decreased and thus adapted or tailored.
  • a detection of precisely defined shocks in a particularly large bandwidth can be made possible, which significantly improves the variety of applications compared with the solutions of the prior art.
  • a prescribed sensor offers a high degree of freedom with regard to its arrangement or positioning.
  • the scope of application can be further broadened and further a simple implementation in existing systems or applications can be allowed.
  • At least the electrically insulating layer is configured as a film.
  • films are lightweight and inexpensive and easily produced in a variety of configurations.
  • Penetrier Designen such as coatings
  • foils can usually penetrate easily through penetrating structures, so that a high level of security of the detection is provided.
  • the sensor arrangement can thus as Foil sensor be designed by the electrically insulating layers as well as the Penetrier Vietnamese are also formed as a layer or applied to the electrically insulating layer and in particular not or not significantly affect the flexible properties.
  • the electrically insulating layer such as a foil
  • the electrically insulating layer may be formed of a non-conductive polymer such as a polyolefin such as polyethylene or polypropylene.
  • a non-conductive polymer such as a polyolefin such as polyethylene or polypropylene.
  • such materials can combine a wide range of applications with high insulation quality and low cost.
  • the penetrating structure may be at least partially part of the first electrically conductive layer, in particular as the surface thereof.
  • the Penetrier
  • the first electrically conductive layer or as a prefabricated layer, such as a film or other layer are produced and then connected to the electrically insulating layer.
  • a prefabricated layer such as a film or other layer
  • Penetrier Design is applied by a coating process on the electrically insulating layer.
  • the penetrating structure is part of, but not limited to, the first electrically conductive layer
  • the penetrating structure is in the form of a serrated structure, in particular as a serrated structure, as the surface of the first electrically conductive layer. Prongs of the penetrating structure can then be in shape and hardness to the electrically insulating layer
  • the penetrating structure at least partially abuts against or is applied to the electrically insulating layer.
  • a particularly high adaptability can be given, since the penetrating structure is independent of the further layer, in particular the first electrically conductive layer and the electrically insulating layer can be applied or arranged.
  • Basic structure of the sensor array in particular consisting of first and second electrically conductive layer and electrically insulating layer are always the same design and adapt to the desired application, for example by varying the Penetrier Modell.
  • the penetrating structure can be applied to the first electrically conductive layer or the electrically insulating layer, and then the layer structure can be joined together.
  • the first electrically conductive layer or the second electrically conductive layer or the penetrating structure is formed as a coating applied to the electrically insulating layer.
  • Suitable coating operations include, for example, sputtering, such as sputtering.
  • Suitable materials for the first and / or the second electrically conductive layer and / or the penetration structure include metals such as copper or electrically conductive polymers or ceramics.
  • these can be applied to the surface of the electrically insulating layer as full-surface coatings.
  • one or more cell housings of battery cells can serve as the first and / or second electrical layer, and also the penetrating structure can be applied directly to them.
  • the frame of battery modules and / or battery packs can serve as a first and / or second electrical layer and also the penetrating structure can be applied directly to them.
  • the penetrating structure it may be provided that it is formed by electrically conductive particles, pins or pointed structures, ie structures which are sufficiently pointed to penetrate the electrically insulating layer at the desired pressure.
  • electrically conductive particles may be suitable Form structure, which can be pressed as Penetrier Vietnamese in the electrically conductive layer, so as to cause a short circuit.
  • application by means of coating processes for example by a sputtering method, for example using shadow masks, is advantageous.
  • the first electrically conductive layer can be applied to the electrically insulating layer and the penetrating structure, for example, in turn, by appropriate coating processes.
  • Such penetrating structures may for example be present on the first electrically conductive layer or on the electrically insulating layer or may be present on a housing, such as a battery housing, for example, and be arranged on the first electrically conductive layer or on the electrically insulating layer.
  • one, two or all of the first electrically conductive layer, the second electrically conductive layer and the electrically insulating layer has a thickness in a range of greater than or equal to 1 ⁇ to less than or equal to 200 ⁇ have, in particular a thickness in a range of greater than or equal to 5 ⁇ to less than or equal to 100 ⁇ .
  • the penetrating structure is arranged between the first electrically conductive layer and the electrically insulating layer or is arranged on the side of the first electrically conductive layer remote from the electrically insulating layer.
  • a penetrating structure is arranged both on the first electrically conductive layer and the second electrically conductive layer or on the side facing away from the electrically insulating layer of the first electrically conductive layer and / or on the the electrically insulating layer facing away from the second electrically conductive layer is arranged.
  • the subject of the present invention is furthermore a battery system, comprising at least one battery and a sensor arrangement, wherein the
  • a battery is to be understood in particular as at least one of a battery cell, a battery module and a battery pack.
  • Hybrid drive (HEV) and plug-in hybrid drive (PHEV) based on lithium-ion technology (LIT) are generally hierarchical. The smallest units are cells of which a plurality are in a module
  • Amount of energy which can lead to correspondingly dangerous events, such as fire, explosion or the like. Therefore, it is of particular importance to external influences on the battery, in particular mechanical influences, such as an accident of a vehicle or a battery installed in a vehicle, as well as crush and the penetration of the pack, the module and / or the cell To detect, for example, to initiate countermeasures that bring the cells in a safe state.
  • mechanical influences such as an accident of a vehicle or a battery installed in a vehicle, as well as crush and the penetration of the pack, the module and / or the cell
  • These measures include, for example, a fast discharge device (FDD) or a
  • FSD Fast Shutdown Device
  • the battery system preferably includes at least one of a quick-discharger and a quick-disconnect device.
  • FSD fast shutdown device
  • Heat generation is finished. Furthermore, the battery cell and / or the battery module and / or the battery pack cools again / is cooled and the cell / module / pack is in a safe state.
  • this can be designed, for example, such that the triggering of this quick-charging device causes the
  • Battery cell / the battery module externally low-impedance short-circuited. Due to the low-resistance short circuit, the battery cell / the
  • Heat generation is finished. Furthermore, the battery cell and / or the battery module and / or the battery pack cools again / is cooled and the cell / module / pack is in a safe state.
  • a sensor described above can be installed in particular in a battery system on cell, module or pack level, which can allow maximum freedom in terms of the design of the battery system.
  • the above-described sensor arrangement can thus bring advantages. Because such
  • the sensor assembly may replace a conventional insulating film at about the cell, module or package level of a corresponding package. Because such housing are usually electrically conductive and thus have one
  • the housing may be the first or second electrically conductive layer and / or may have the penetrating structure, such as a serrated structure, particles, etc. as part of the housing.
  • the first electrically conductive layer or the second electrically conductive layer or the penetrating structure is formed as a housing part.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view through an embodiment of a
  • FIG. 1 shows a sensor arrangement 10 for detecting a shock.
  • the sensor arrangement 10 comprises a first electrically conductive layer 12 and a second electrically conductive layer 14, wherein the first electrically conductive layer 12 is separated from the second electrically conductive layer 14 by an electrically insulating layer 16.
  • the electrically insulating layer 16 has a thickness di. Further, between the first electrically conductive layer 12 and the second electrically conductive layer 14 by a
  • Voltage source 18 may have a voltmeter.
  • FIG. 1 furthermore shows that the first electrically conductive layer 14 is provided with an electrically conductive penetrating structure 20 which has a thickness d2. It can be provided that d2, ie the thickness of the
  • Penetrier Design 20 greater than or equal di, ie the thickness of the electrically insulating layer 16, is.
  • d2 ie the Thickness of Penetrier Design 20, smaller than di, ie the thickness of the electrically insulating layer 16, is.
  • the penetrating structure 20 is at least partially part of the first electrically conductive layer 12 and that the penetrating structure 20 is formed as a serrated structure.
  • the first electrically conductive layer 12 can be pressed in the direction of the second electrically conductive layer 14 and thus bring the penetration structure 20 into contact with the second electrically conductive layer 14, so that between the first electrically conductive layer 12 and the second electrically conductive layer 14, a short circuit can be formed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (10) zum Detektieren eines Stoßes, aufweisend eine erste elektrisch leitfähige Schicht (12) und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (14), wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht (12) von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (14) durch eine elektrisch isolierende Schicht (16) getrennt ist, wobei zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (12) und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (14) eine elektrische Spannung anlegbar ist, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht (12) mit einer elektrisch leitfähigen Penetrierstruktur (20) zum Penetrieren der elektrisch isolierenden Schicht (16) versehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem aufweisend eine derartige Sensoranordnung.

Description

Beschreibung Titel
Sensoranordnung und Batteriesystem aufweisend eine derartige
Sensoranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung sowie ein
Batteriesystem aufweisend eine derartige Sensoranordnung.
Stand der Technik
Sensoranordnungen sind für eine Vielzahl von Anwendungen bekannt. Sie dienen insbesondere dazu, eine mechanische Beschädigung etwa durch einen Stoß oder einen Aufprall zu detektieren.
Das Dokument WO 2008/118296 A2 beschreibt einen Sensor. Dieser umfasst eine erste leitfähige Schicht und eine zweite leitfähige Schicht, wobei die erste leitfähige Schicht und die zweite leitfähige Schicht durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt sind. Die erste elektrisch leitfähige Schicht und die elektrisch isolierende Schicht sind deformierbar ausgestaltet, so dass die
Trennung von erster elektrisch leitfähiger Schicht und zweiter elektrisch leitfähiger Schicht bei einem Stoß aufgehoben werden kann.
CN 102374911 beschreibt einen Kraftsensor, der zwei gegenüberliegend angeordnete Elektroden mit dazwischen angeordneter Membran aufweist. Dabei ist eine geriffelte Form der Membran vorgesehen. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Detektieren eines Stoßes, aufweisend eine erste elektrisch leitfähige Schicht und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist, wobei zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht eine elektrische Spannung anlegbar ist, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht mit einer elektrisch leitfähigen Penetrierstruktur zum Penetrieren der elektrisch isolierenden Schicht versehen ist..
Eine derartige Sensoranordnung kann eine verlässliche und sehr variable Möglichkeit einer Stoßdetektion schaffen.
Die vorbeschriebene Sensoranordnung dient dem Detektieren eines Stoßes. Beispielsweise kann die Sensoranordnung Bestandteil eines Batteriesystems sein, wobei eine derartige Anwendung beziehungsweise Positionierung nicht beschränkend zu verstehen ist.
Die Sensoranordnung umfasst eine erste elektrisch leitfähige Schicht und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist, die eine Dicke di aufweist.
Zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht ist ferner, etwa über das Anschließen einer grundsätzlich frei wählbaren Spannungsquelle, eine elektrische Spannung anlegbar. Für den Fall des Verwendens in einem Batteriesystem kann die Spannungsquelle beispielsweise das Batteriesystem selbst beziehungsweise ein Teil wie etwa ein Modul oder eine Zelle des Batteriesystems sein. Es ist ferner vorgesehen, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht mit einer elektrisch leitfähigen Penetrierstruktur versehen ist, welche zum Penetrieren der elektrisch isolierenden Schicht vorgesehen ist und somit dazu dient, im Falle eines Stoßes die elektrisch leitfähigen Schichten zu verbinden.
Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierende Schicht eine Dicke di aufweist und dass die Penetrierstruktur eine Dicke d2 aufweist, wobei d2 größer oder gleich di ist. In diesem Fall kann auf besonders einfache Weise ein elektrisches Kontaktieren der elektrisch leitfähigen Schichten erfolgen.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierende Schicht eine Dicke di aufweist und dass die Penetrierstruktur eine Dicke d2 aufweist, wobei d2 kleiner als di ist. In diesem Fall, sollte die elektrisch isolierende Schicht leicht komprimierbar sein, so dass die Penetrierstruktur die elektrisch isolierende Schicht penetrieren und die die elektrisch isolierende Schicht zusammengepresst werden kann zum Kurzschließen der beiden elektrisch leitfähigen Schichten. Die Komprimierbarkeit der elektrisch isolierenden Schicht ist dabei insbesondere wählbar in Abhängigkeit der gewünschten Sensitivität der Sensoranordnung.
Insbesondere durch das Versehen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht mit einer Penetrierstruktur kann ein signifikanter Vorteil gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik ermöglicht werden.
Es kann eine besonders sichere Detektion eines Fehlers beziehungsweise einer mechanischen Beeinträchtigung detektiert werden. Denn bei einer mechanischen Beeinträchtigung, die auf den Sensor wirkt, werden die Schichten
zusammengedrückt, wodurch die Penetrierstruktur sich in die elektrisch leitfähige Schicht drückt und / oder die elektrisch isolierende Schicht direkt penetriert, also ohne ein zwingendes Zusammendrücken der elektrisch isolierenden Schicht. Somit ist die Penetrierstruktur insbesondere ausgestaltet, um durch einen Druck in die elektrisch isolierende Schicht eingedrückt zu werden beziehungsweise diese zu penetrieren. Dadurch, dass die Penetrierstruktur elektrisch leitfähig ist, werden die erste elektrisch leitfähige Schicht und die zweite elektrisch leitfähige Schicht durch die Penetrierstruktur kurzgeschlossen, was bei dem Anlegen einer Spannung an die erste und die zweite elektrisch leitfähige Schicht unmittelbar anhand einer Spannungsmessung erkennbar ist. Ein derartiger Kurzschluss der beiden elektrisch leitfähigen Schichten kann leicht gemessen werden, was weitergehend eine leichte Detektion eines Fehlers beziehungsweise einer mechanischen Beeinträchtigung, wie etwa einer mechanischen Kraftein Wirkung, erlauben kann. Somit kann eine Detektion beispielsweise als Triggersignal für weitergehende Aktionen zur Sicherung eines mit einem derartigen Sensor ausgestatteten Systems, wie etwa eines Batteriesystems, verwendet werden, wie dies nachstehend im Detail beschrieben ist.
Bezüglich der elektrischen Leitfähigkeiten der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Schicht sowie der elektrisch isolierenden Schicht kann es für eine Funktionsfähigkeit des Sensors ausreichen, wenn die elektrische Leitfähigkeit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und/oder der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und/oder insbesondere der Penetrierstruktur jeweils größer ist als die der elektrisch isolierenden Schicht, da so bereits eine Spannungsveränderung zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht messbar ist. Beispielhafte aber in keiner Weise
beschränkende Werte umfassen etwa für die erste und zweite elektrisch leitfähige Schicht und die Penetrierstruktur eine elektrische Leitfähigkeit von größer oder gleich 107 S/m und für die elektrisch isolierende Schicht eine elektrische Leitfähigkeit von weniger oder gleich 10"8 S/m.
Durch die Penetrierstruktur kann neben der Detektion einer Penetration des Sensors etwa durch ein dem Sensor nicht zuzuordnendes Fremdteil auch eine Detektion von vergleichsweise geringen mechanischen Beeinflussungen, wie insbesondere Stößen, stattfinden, was die Detektionsbreite weiter verbessern kann. Im Detail kann als mechanische Beeinträchtigung ein auch als Crash bezeichneter Unfall beispielsweise eines mit der Sensoranordnung
ausgestatteten Fahrzeugs, der ein mit einem derartigen Sensor ausgestattetes System in Mitleidenschaft zieht, als auch ein Crush, wie er unter anderem bei Sicherheitstests für Batteriezellen und Batteriesystemen durchgeführt wird, und weiterhin eine Penetration eines Gegenstands von außen in die
Sensoranordnung detektiert werden. Dabei ist nur eine einzige, flexibel einsetzbare Sensoranordnung notwendig. Insbesondere ist die vorbeschriebene Sensoranordnung nicht auf die Detektion einer Penetration von außen in den Sensor beschränkt. Für das Auslösen eines Kurzschlusses reicht vielmehr ein Druck von außen auf die Sensoranordnung aus, um so die Penetrierstruktur in die elektrisch isolierende Schicht bis zur zweiten elektrisch leitfähigen Schicht zu drücken und einen Kurzschluss hervorzurufen. Eine derartige Detektionsbreite insbesondere in Kombination mit einer flexiblen Einsetzbarkeit ist aus dem Stand der Technik so nicht bekannt beziehungsweise ist durch die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht zu verwirklichen.
Grundsätzlich kann es von Vorteil sein, dass ein Kurzschluss nicht bereits bei zu geringen Drücken stattfindet, da beispielsweise bei einer Verwendung in einem Batteriesystem, wie dies nachstehend beschrieben ist, die Zellen im Modul verpresst werden müssen. Dieses lässt sich aber problemlos durch die
Ausgestaltung der Penetrierstruktur, beispielsweise Form und/oder Härte, wie etwa die Größe von Partikeln oder die Ausgestaltung eines gezackten Profils, wie dies nachstehend beschrieben ist, sowie durch die Wahl von d2 und di oder die Härte der elektrisch isolierenden Schicht in gewünschter Weise einstellen.
Es kann ferner grundsätzlich wählbar sein, ob die Penetrierstruktur vollständig benachbart zu der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist oder gegebenenfalls bereits teilweise in die elektrisch isolierende Schicht hineinragt. Beispielsweise kann die Penetrierstruktur auf der, der elektrisch isolierenden Schicht zugewandten, Oberfläche der ersten elektrisch leitenden Schicht angeordnet sein oder kann die Penetrierstruktur auf der, der elektrisch isolierenden Schicht abgewandten, Oberfläche der ersten elektrisch leitenden Schicht angeordnet sein. In ersterem Fall kann die Penetrierstruktur unmittelbar in die elektrisch isolierende Schicht eingedrückt werden, wohingegen in letzterem Fall die Penetrierstruktur gegebenenfalls zusätzlich die erste elektrisch leitfähige Schicht durchstechen kann.
Ferner kann die Penetrierstruktur in ihren Eigenschaften an die elektrisch isolierende Schicht und gegebenenfalls die erste elektrisch leitfähige Schicht angepasst beziehungsweise für ein definiertes Penetrieren bei einem definierten Druck maßgeschneidert werden. Dadurch kann die Sensitivität weiter vergrößert oder verkleinert und somit angepasst beziehungsweise maßgeschneidert werden. In anderen Worten kann je nach Anwendungsfall eine Detektion von genau definierten Stößen in einer besonders großen Bandbreite ermöglicht werden, was die Anwendungsvielfalt signifikant gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik verbessert.
Darüber hinaus bietet ein vorbeschriebener Sensor einen hohen Freiheitsgrad bezüglich seiner Anordnung beziehungsweise Positionierung. Dadurch kann die Anwendungsbreite weiter verbreitert und ferner eine einfache Implementierung in bestehende Systeme beziehungsweise Anwendungen erlaubt werden.
Diese Flexibilität sowie die Breite der detektierbaren Ereignisse beziehungsweise mechanischen Beeinträchtigungen zeichnet die Sensoranordnung gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik aus. Die bisherigen Möglichkeiten der Nutzung anderer Sensoriken sind unter Umständen weniger flexibel einsetzbar und erlauben ferner nicht eine entsprechende Breite der
Detektionsmöglichkeiten. Überdies sind die Lösungen aus dem Stand der Technik oftmals mit vergleichsweise höheren Kosten verbunden und
gegebenenfalls ferner mit erhöhtem Aufwand bei der Integration in eine
Anwendungselektronik und vorheriger Definition kritischer Werte für eine mögliche Auswirkung der mechanischen Beeinträchtigung auf
Systemkomponenten, welche etwa geschützt werden sollen.
Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass wenigstens die elektrisch isolierende Schicht als Folie ausgestaltet ist. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders einfache und kostengünstige und dabei höchst adaptierbare
Anwendbarkeit ermöglicht werden. Denn zum Einen sind Folien leicht und kostengünstig und in verschiedensten Ausgestaltungen problemlos erzeugbar. Darüber hinaus lassen sich elektrisch leitfähige Schichten und/oder
Penetrierstrukturen, etwa als Beschichtungen, meist einfach auf die Folie aufbringen beziehungsweise an dieser anordnen. Ferner lassen sich Folien meist problemlos durch Penetrierstrukturen penetrieren, so dass eine hohe Sicherheit der Detektion gegeben ist. Vorteilhaft kann die Sensoranordnung somit als Foliensensor ausgestaltet sein, indem die elektrisch isolierenden Schichten wie auch die Penetrierstruktur ebenfalls als Schicht ausgebildet sind oder auf die elektrisch isolierende Schicht aufgebracht sind und insbesondere die flexiblen Eigenschaften nicht oder nicht wesentlich beeinflussen.
Bevorzugt kann die elektrisch isolierende Schicht, wie etwa als Folie
ausgestaltet, aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Schicht aus einem nicht-leitenden Polymer, etwa einem Polyolefin, wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen geformt werden. Insbesondere derartige Materialien können eine hohe Anwendungsbreite mit einer hohen Isolationsgüte und niedrigen Kosten verbinden.
Es kann bevorzugt sein, dass die Penetrierstruktur zumindest teilweise Teil der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ist, insbesondere als deren Oberfläche ausgestaltet ist. In dieser Ausgestaltung kann die Penetrierstruktur
beispielsweise einteilig mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet sein oder als vorgefertigte Schicht, wie etwa als Folie oder andere Schicht, erzeugt werden und anschließend mit der elektrisch isolierenden Schicht verbunden werden. Es ist jedoch auch in dieser Ausgestaltung nicht
ausgeschlossen, dass die erste elektrisch isolierende Schicht mit der
Penetrierstruktur durch einen Beschichtungsvorgang auf die elektrisch isolierende Schicht aufgebracht wird.
Beispielsweise in der Ausgestaltung, wo die Penetrierstruktur Teil der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ist, aber nicht beschränkt hierauf kann es vorgesehen sein, dass die Penetrierstruktur als gezackte Struktur ausgebildet ist, insbesondere als gezackte Struktur als Oberfläche der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet ist. Zackenspitzen der Penetrierstruktur können dann in ihrer Form und Härte an die elektrisch isolierende Schicht
beziehungsweise die gewünschte Penetrierfähigkeit angepasst werden.
Es kann ferner bevorzugt sein, dass die Penetrierstruktur zumindest teilweise an der elektrisch isolierenden Schicht anliegt oder auf diese aufgebracht ist. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders hohe Adaptierbarkeit gegeben sein, da die Penetrierstruktur unabhängig der weiteren Schicht, wie insbesondere der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht beziehungsweise angeordnet werden kann. Somit kann die
Grundstruktur der Sensoranordnung insbesondere bestehend aus erster und zweiter elektrisch leitfähiger Schicht und elektrisch isolierender Schicht stets gleich ausgebildet werden und sich etwa durch Variation der Penetrierstruktur an die gewünschte Anwendung anpassen.
Beispielsweise kann die Penetrierstruktur auf die erste elektrisch leitfähige Schicht oder die elektrisch isolierende Schicht aufgebracht werden und anschließend der Schichtaufbau zusammengefügt werden.
Weiter bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht oder die Penetrierstruktur als auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebrachte Beschichtung ausgebildet ist. Geeignete Beschichtungsvorgänge umfassen etwa das auch als Sputtern bezeichnete Zerstäuben, wie etwa Kathodenzerstäuben. Geeignete Materialien für die erste und/oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht und/oder die Penetrierstruktur umfassen etwa Metalle, wie beispielsweise Kupfer oder auch elektrisch leitfähige Polymere oder Keramiken.
Bezüglich der elektrisch leitfähigen Schichten können diese als vollflächige Beschichtungen auf die Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht werden.
Insbesondere können zum Beispiel auch ein oder mehrere Zellgehäuse von Batteriezellen als erste und / oder zweite elektrische Schicht dienen und auch die Penetrierstruktur direkt auf ihnen aufgebracht sein. Ebenso kann beispielsweise auch der Rahmen von Batteriemodulen und / oder Batteriepacks als erste und / oder zweite elektrische Schicht dienen und auch die Penetrierstruktur direkt auf ihnen aufgebracht sein.
Bezüglich der Penetrierstruktur kann es vorgesehen sein, dass diese durch elektrisch leitfähige Partikel, Stifte oder spitze Strukturen, also Strukturen, welche ausreichend spitz sind, um die elektrisch isolierende Schicht bei gewünschtem Druck zu penetrieren, gebildet wird. Derartige Teilchen können eine geeignete Struktur ausbilden, welche sich als Penetrierstruktur in die elektrisch leitfähige Schicht eindrücken lässt, um so einen Kurzschluss hervorzurufen. Auch in dieser Ausgestaltung ist ein Aufbringen mittels Beschichtungsvorgängen, etwa durch ein Zerstäubungsverfahren, beispielsweise unter Verwendung von Lochmasken, von Vorteil. Anschließend kann die erste elektrisch leitfähige Schicht auf die elektrisch isolierende Schicht und die Penetrierstruktur aufgebracht werden, beispielsweise wiederum durch entsprechende Beschichtungsvorgänge.
Derartige Penetrierstrukturen können beispielsweise auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht oder auf der elektrisch isolierenden Schicht vorliegen oder etwa an einem Gehäuse, wie etwa einem Batteriegehäuse vorliegen und so an der ersten elektrisch leitfähigen Schicht oder auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet sein.
Grundsätzlich und unabhängig der jeweiligen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass eine, zwei oder sämtliche der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und der elektrisch isolierenden Schicht eine Dicke in einem Bereich von größer oder gleich 1 μηι bis kleiner oder gleich 200 μηι aufweisen, insbesondere eine Dicke in einem Bereich von größer oder gleich 5 μηι bis kleiner oder gleich 100 μηι aufweisen.
Ferner kann es grundsätzlich und unabhängig der jeweiligen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Penetrierstruktur zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist oder auf der der elektrisch isolierenden Schicht abgewandten Seite der ersten elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet ist.
Ferner kann es grundsätzlich und unabhängig der jeweiligen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass eine Penetrierstruktur sowohl auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht als auch der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet ist oder auf der der elektrisch isolierenden Schicht abgewandten Seite der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und / oder auf der der elektrisch isolierenden Schicht abgewandten Seite der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet ist. Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der Sensoranordnung wird auf die nachfolgende Beschreibung des Batteriesystems, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Batteriesystem, aufweisend wenigstens eine Batterie und eine Sensoranordnung, wobei die
Sensoranordnung ausgestaltet ist, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist. Unter einer Batterie ist dabei insbesondere zu verstehen wenigstens eines von einer Batteriezelle, einem Batteriemodul und einem Batteriepack.
Insbesondere bei einem Batteriesystem kann die vorbeschriebene
Sensoranordnung Vorteile gegenüber den entsprechenden Lösungen aus dem Stand der Technik aufzeigen.
Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge (EV), sowie für Fahrzeuge mit
Hybridantrieb (HEV) und Pluginhybridantrieb (PHEV) auf Basis von Lithium- Ionen-Technologie (LIT) sind in der Regel hierarchisch aufgebaut. Die kleinsten Einheiten sind Zellen von denen eine Mehrzahl in einem Modul
zusammengefasst wird, woraus wiederum sogenannte Batteriepacks aufgebaut werden. Um immer höhere Reichweiten zu ermöglichen, aber auch um Kosten senken zu können, werden immer höhere Energiedichten angestrebt. Die Lithium-Ionen-Technologie beziehungsweise deren chemische Vorgänge mit hoher Energiedichte weisen jedoch im Fehlerfall vergleichsweise hohe
Reaktionskinetiken bei gleichzeitig vergleichsweise großer freisetzbarer
Energiemenge auf, was zu entsprechend gefährlichen Ereignissen, wie etwa Feuer, Explosion oder Ähnlichem führen kann. Daher ist es insbesondere von Bedeutung, externe Einflüsse auf die Batterie, insbesondere mechanische Beeinflussungen, wie etwa einen auch als Crash bezeichneten Unfall eines Fahrzeugs beziehungsweise einer in einem Fahrzeug installierten Batterie, sowie Crush und die Penetration des Packs, des Moduls und / oder der Zelle zu detektieren, etwa um Gegenmaßnahmen zu initiieren, die die Zellen in einen sicheren Zustand überführen. Zu diesen Maßnahmen zählt beispielsweise eine Schnell-Entladeeinrichtung (fast discharge device, FDD) oder auch eine
Schnellabschalteinrichtung (Fast Shutdown device, FSD). Je eher und sicherer eine derartige Maßnahme ausgelöst wird, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die entsprechende Zelle und damit das Batteriesystem in einen sicheren Zustand überführt werden.
Somit weist das Batteriesystem bevorzugt wenigstens eines von einer Schnell- Entladeeinrichtung und einer Schnellabschalteinrichtung auf.
Bezüglich einer Schnellabschalteinrichtung (FSD) kann diese beispielsweise so ausgestaltet sein, dass durch Triggern dieser Schnellabschalteinrichtung viele verteilte interne Kurzschlüsse in mindestens einer der Batteriezellen entstehen die aufgrund des über sie fließenden Stroms dafür sorgen, dass sich die Zelle global aufheizt bis zu einer Temperatur bei der der shutdown-funktionalisierte Separator in den shutdown geht und damit jeglichen weiteren ionischen
Transport zwischen den Elektroden durch den Elektrolyten unterbindet. Damit findet auch keine weitere Entladung der Zelle mehr statt und die
Wärmeentstehung ist beendet. Im Weiteren kühlt sich die Batteriezelle und / oder das Batteriemodul und / oder das Batteriepack wieder ab / wird abgekühlt und die Zelle / das Modul / das Pack befindet sich in einem sicheren Zustand.
Bezüglich einer Schnellentladeeinrichtung (FDD) kann diese beispielsweise so ausgestaltet sein, dass durch Triggern dieser Schnellentladeeinrichtung die
Batteriezelle / das Batteriemodul extern niederohmig kurzgeschlossen wird. Aufgrund des niederohmigen Kurzschlusses wird die Batteriezelle / das
Batteriemodul schnell entladen, der fließende Strom führt zu einer Erwärmung der Zelle / des Moduls bis zu einer Temperatur bei der der shutdown- funktionalisierte Separator in den shutdown geht und damit jeglichen weiteren ionischen Transport zwischen den Elektroden durch den Elektrolyten unterbindet. Damit findet auch keine weitere Entladung der Zelle mehr statt und die
Wärmeentstehung ist beendet. Im Weiteren kühlt sich die Batteriezelle und / oder das Batteriemodul und / oder das Batteriepack wieder ab / wird abgekühlt und die Zelle / das Modul / das Pack befindet sich in einem sicheren Zustand.
Ein vorbeschriebener Sensor kann insbesondere bei einem Batteriesystem auf Zell-, Modul- oder Packebene installiert werden, was maximalen Freiraum bezüglich der Ausgestaltung des Batteriesystems erlauben kann. Diese
Flexibilität sowie die Breite der detektierbaren mechanischen Beeinflussungen zeichnet die Sensoranordnung gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik aus. Die bisherigen Möglichkeiten der Nutzung der Autosensorik, wie etwa des Airbagsystems, oder Batterie-eigener Beschleunigungs-Sensoren, wie etwa MEMS-Sensoren, sind weniger flexibel einsetzbar und erlauben ferner nicht eine entsprechende Breite der Detektionsmöglichkeiten. Überdies sind die Lösungen aus dem Stand der Technik mit vergleichsweise höheren Kosten verbunden und gegebenenfalls ferner mit erhöhtem Aufwand bei der Integration in die Fahrzeugelektronik und vorheriger Definition kritischer Werte für eine mögliche Auswirkung der mechanischen Beeinträchtigung auf die Batterie verbunden.
Insbesondere in Verbindung mit einem Batteriesystem kann die vorbeschriebene Sensoranordnung somit Vorteile mit sich bringen. Denn eine derartige
Sensoranordnung verbindet bei einem einfachen Aufbau eine große
Detektionsbreite auf der Ebene von Zellen, Modulen und Batteriepacks.
Gleichzeitig lässt sich eine vorbeschriebene Sensoranordnung auf einfache Weise mit bereits bestehenden Designelementen beziehungsweise
Ausgestaltungen im Batteriebau verbinden beziehungsweise kann diese ersetzen, was Kostenvorteile mit sich bringen kann.
Die Sensoranordnung kann eine herkömmliche isolierende Folie etwa auf Zell-, Modul- oder auf Packebene eines entsprechenden Gehäuses ersetzen. Denn derartige Gehäuse sind meist elektrisch leitfähig und weisen somit eine
Isolierfolie auf. In diesem Fall kann etwa das Gehäuse die erste oder zweite elektrisch leitfähige Schicht sein und/oder die Penetrierstruktur, etwa als gezackte Struktur, Partikel usw. als Teil des Gehäuses aufweisen. Die
Penetrierstruktur kann dann unmittelbar benachbart zu der elektrisch
isolierenden Schicht sein oder es kann zwischen der Penetrierstruktur des Gehäuses und der elektrisch isolierenden Schicht eine weitere als erste elektrisch leitfähige Schicht ausgestaltete Schicht vorliegen. In dieser
Ausgestaltung ergeben sich im Aufbau kaum Mehrkosten.
Es kann somit bevorzugt vorgesehen sein, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht oder die Penetrierstruktur als Gehäuseteil ausgebildet ist. Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des vorbeschriebenen Batteriesystems wird auf die Beschreibung der Sensoranordnung, die Figur sowie die Beschreibung der Figuren verwiesen, und umgekehrt.
Figur
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Ausgestaltung einer
Sensoranordnung.
In der Figur 1 ist eine Sensoranordnung 10 zum Detektieren eines Stoßes gezeigt. Die Sensoranordnung 10 umfasst eine erste elektrisch leitfähige Schicht 12 und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 14, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht 12 von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 14 durch eine elektrisch isolierende Schicht 16 getrennt ist. Die elektrisch isolierende Schicht 16 weist eine Dicke di auf. Ferner ist zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 12 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 14 durch eine
Spannungsquelle 18 eine elektrische Spannung anlegbar ist. Die
Spanungsquelle 18 kann dabei einen Spannungsmesser aufweisen.
Figur 1 zeigt weiterhin, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht 14 mit einer elektrisch leitfähigen Penetrierstruktur 20 versehen ist, welche eine Dicke d2 aufweist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass d2, also die Dicke der
Penetrierstruktur 20, größer oder gleich di, also der Dicke der elektrisch isolierenden Schicht 16, ist. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass d2, also die Dicke der Penetrierstruktur 20, kleiner als di, also der Dicke der elektrisch isolierenden Schicht 16, ist. Insbesondere ist gezeigt, dass die Penetrierstruktur 20 zumindest teilweise Teil der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 12 ist und dass die Penetrierstruktur 20 als gezackte Struktur ausgebildet ist.
Durch eine mechanische Beeinflussung, wie etwa einen Stoß, kann somit die erste elektrisch leitfähige Schicht 12 in Richtung der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 14 gedrückt werden und so die Penetrierstruktur 20 in Kontakt mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 14 bringen, so dass zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 12 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 14 ein Kurzschluss ausbildbar ist.

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung zum Detektieren eines Stoßes, aufweisend eine erste elektrisch leitfähige Schicht (12) und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (14), wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht (12) von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (14) durch eine elektrisch isolierende Schicht (16) getrennt ist, wobei zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (12) und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (14) eine elektrische Spannung anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (12) mit einer elektrisch leitfähigen Penetrierstruktur (20) zum Penetrieren der elektrisch isolierenden Schicht (16) versehen ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (16) eine Dicke di aufweist und dass die Penetrierstruktur (20) eine Dicke d2 aufweist, wobei d2 größer oder gleich di ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (16) eine Dicke di aufweist und dass die Penetrierstruktur (20) eine Dicke d2 aufweist, wobei d2 kleiner als di ist.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Penetrierstruktur (20) zumindest teilweise Teil der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (12) ist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Penetrierstruktur (20) zumindest teilweise an der elektrisch isolierenden Schicht (12) anliegt oder auf diese aufgebracht ist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (12) oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht (14) oder die Penetrierstruktur (20) als auf der elektrisch isolierenden Schicht (16) aufgebrachte Beschichtung ausgebildet ist.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Penetrierstruktur (20) durch elektrisch leitfähige Partikel, durch elektrisch leitfähige Stifte oder durch elektrisch leitfähige spitze, insbesondere gezackte Strukturen gebildet wird.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (16) als Folie ausgestaltet ist.
9. Batteriesystem, aufweisend wenigstens eine Batterie und eine
Sensoranordnung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (10) ausgestaltet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Batteriesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht (12) oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht (14) oder die Penetrierstruktur (20) als Teil eines Gehäuses ausgebildet ist.
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