用于机动车电池的电池单体、电池和机动车的制作方法

文档序号:11519659
用于机动车电池的电池单体、电池和机动车的制造方法与工艺

本发明涉及一种用于机动车电池的电池单体。电池单体包括容纳有电元件的电池单体壳体。通过两个电连接端可使电池单体与电池的至少另一电池单体电连接。此外,本发明涉及一种具有多个这种电池单体的电池和具有电池的机动车。



背景技术:

由现有技术、例如DE 10 2010 045 037 A1公开了将多个电池单体耦连成电池以用于提供确定的电压或确定的电流。如今,这种电池尤其作为牵引电池应用在机动车中、例如电动车辆或混合动力车辆中以用于提供电驱动能。

通常情况下,在由现有技术已知的电池单体的连接端或电池极上施加电压。如果此时有多个电池单体耦连成串联电路,则可由此获得高的且有危险的电压。例如,用于机动车的牵引电池可提供几百伏特电压。相应感兴趣的是知道实际上在电池单体的连接端上施加的电压。

通过例如借助电压表进行电压测量可得出电池单体的荷电状态。在此不利的是这样的情况,即,电池单体的电状态不能在没有技术辅助器具的情况获知。由此也不能简单地并且立刻获知可能的电池隐患或其它问题。



技术实现要素:

因此,本发明的目的是提供开头所述类型的电池单体、电池和机动车,在其中能够特别安全地操作/维护电池单体或电池。

该目的通过具有权利要求1所述特征的电池单体、具有权利要求9所述特征的电池以及通过具有权利要求10所述特征的机动车实现。本发明的有利的设计方案和适宜的改进方案在从属权利要求中给出。

根据本发明的电池单体具有指示装置,根据指示装置可从电池单体壳体之外识别出电池单体的状态,该状态与电池单体的至少一个可通过测量技术获取出的参量相关。在此,指示装置构造成,显示电池单体的状态变化。换句话说,指示装置不是静态的,而是为此能够显示出电池单体的当前状态,即尤其以可光学可获取的方式或其它方式来通信。

通过将这种指示装置或这种状态显示装置集成在电池单体中能够由此信号表示电池单体的不同状态,尤其通过对电池单体状况的可视化。由此提供了电池单体状态的主动显示,借助其能够立即获取电池单体的状况。通过这种对电池单体的状况反馈尤其能够特别安全地操作电池单体。因为由操作电池单体的人员可根据指示装置得出电池单体的状态。

这尤其在电池制造过程中是有利的,但是也在例如通过售后服务对电池进行再处理的情况下是有利的。在具有包括指示装置的电池单体的电池用在机动车中时,此时也可例如在事故之后借助指示装置使忙于处理卷入事故的机动车的人员知道相应电池单体的状态。由此可尤其降低救援人员或其它辅助人员的危险。

电池单体的电元件优选构造成二次电池,其可放电以用于为电气部件供电并且可在放电之后再次充电。在此,电元件按已知地包括例如呈金属膜形式的导电体,导电体涂有电元件的电极的电化学活性材料。此外具有电解液以及使电化学活性材料彼此分离的分离器。在这种电元件中可使导电体堆叠、折叠或卷绕地存在,从而电元件也称为电池单体组或电池单体卷。

特别有利的是,指示装置构造成用于显示至少一个开关元件的切换状态,至少一个开关元件构造成用于中断和建立在电元件的导电体和至少一个电连接端之间的导电连接。然后,能够从外部非常容易识别出,在电池单体的连接端上是否施加有电压。如果在开关元件打开的情况下中断在导电体和其中至少一个电连接端之间的导电连接,因此不再有电流可通过电池单体。由此可无危险地操作电池单体。因此,考虑到安全地操作电池单体,这种向外传达开关状态是特别值得期待的。

尤其在电池单体与其它电池单体电串联并因此可能在具有电池单体的电池或电池模块上出现高的电压时有利的是,在电元件的两个导电体中的每一个和相应的电连接端之间布置开关元件。通过在每个电池单体中设置两个开关元件可确保使电元件与电池的其它电池单体特别可靠地分开。

能够使开关元件构造成继电器。此时可实现特别可靠地电分离。但是这种机械式工作的构件要求在电池单体之内的相对大的结构空间。因此优选地,至少一个开关元件构造成半导体元件。这种半导体元件能够特别简单而快速地转变到期望的开关状态,其中,为此规定的能量需求格外小。此外,可设置成继电器与半导体元件的组合,以便能够不仅特别快速地而且特别可靠地中断导电连接。

至少一个开关元件可构造成半导体元件,其可借助驱动模块来切换。然后,能够根据多个影响参量中的其中一个来设定开关元件的切换行为或对其进行编程。通过设置这种用于驱控半导体元件的驱动模块或驱动器而给电池单体赋予智能性,即,电池单体构造成所谓的“SmartCell”(智能电池单体)。这能够使得推导出或预先给定切换标准,例如通过在驱动模块的存储器中存储特征曲线或特征曲线族。以这种方式能够特别好地确保电池单体的可靠运行。

借助可切换的电池单体可根据国际特殊安全要求确保电池单体本身及其所有构件和部件的功能安全性,例如根据ASIL(汽车安全完整性等级,关于移动应用中的安全性的完整性级别)的D-等级。

也可根据ASIL的D等级可靠地确定开关元件是闭合的还是打开的,并且借助指示装置来信号表示或显示。

优选地,驱动模块布置在电池单体壳体之内。此时能良好地保护驱动模块。此外,可由此特别好地将传感器的信号输送给驱动模块,传感器获取电池单体的参量并且为此同样位于电池单体壳体之内。

半导体元件可构造成二进制开关,在其中在一个切换状态中中断导电体和至少一个电连接端之间的导电连接,而在另一切换状态中建立导电连接。这例如可通过设置功率晶体管/功率晶体三极管作为半导体元件来实现。

可将驱动模块集成在指示装置中。然而尤其在驱动模块布置在电池单体壳体之内并且指示装置布置在电池单体壳体外侧上时,也能够使该部件构造成彼此单独的构件。

指示装置在电池单体壳体外侧上的布置使得能够简单地根据指示装置从外部获取电池单体的状态。但是,指示装置也可形成电池单体壳体的部分区域,即例如可集成在电池单体壳体的壁中。

尤其在指示装置布置在电池单体壳体外侧上时能够将指示装置节省空间地安装在两个连接端之间,因为两个连接端会突起地伸出电池单体壳体外侧。通过将指示装置布置在两个连接端之间能够由此特别好地利用在此现有的结构空间。

还显示出有利的是,指示装置构造成,用于显示电池单体的运输状态和/或安装状态,其中,借助电池单体的控制单元可激活运输状态和/或安装状态。即例如为了运输或为了安装或生产可使电池单体处于电池单体没有危险的相应状态中,因此对运输状态或安装状态的显示是特别有利的。

例如在运输电池单体时借助开关元件中断在电元件的导电体和电池单体的电连接端之间的导电连接,由此不会在连接端或电池极上截取到电压。此时能够无危险地运输电池单体。

在安装电池单体时、即在将其安装到电池中并随之在生产电池时也能够通过打开至少一个开关元件使电池的连接端无电压地连接。此时借助指示装置在运输或安装期间向外信号表示电池单体的无危险的状态。这使得特别安全地操作具有电池单体的电池。

指示装置还优选地构造成,用于显示出电池单体的故障。这不仅在具有多个电池单体的电池的维护方面是有利的,而且在将电池中的多个电池单体彼此导电连接来生产电池方面是有利的。因此可更换或维修有故障的电池。

故障例如可以是绝缘故障,例如在接触电元件的导电体时或在电元件与电池单体壳体导电接触,而电池单体壳体又由导电材料、例如由铝制成时。但是在过去出现的电的、热的或其它的高负荷,例如电池单体的压力负荷和/或加速度也会导致其故障,该故障能够有利地借助指示装置来信号表示。在故障是电池单体不能提供期望的电压或电量时这同样适用。

还显示出更有利的是,指示装置和/或至少一个与指示装置耦连的传感器构造成,用于获取至少一个参量,其中,指示装置构造成基于该至少一个参量显示出电池单体的状态。例如借助指示装置可获取电池单体的电压,例如施加在电元件的导电体上的电压。

在指示装置与可获取温度的传感器耦连时,由此可替代地或额外地能够在电池单体之内和/或在电池单体之外获取温度。这使得能够例如向外信号表示单体电压和/或温度,其中例如可告知操作电池单体的人员电压低或温度高。从这种指示中能够得出电池单体的故障,例如在给电池单体充电时该电池单体虽然温度高、但是仅达到较低的电压。这种信息尤其能够与关于至少一个开关元件的切换状态的信息相关联并且可向外反映或信号表示。由此能够特别好地通知操作电池单体的人员电池单体的相应当前状态。

但是为了判断电池单体的状态也可关注其它参量。相应地,能借助指示装置和/或借助至少一个传感器获取的参量包括流过电池单体的电流的电流强度和/或压力和/或机械应力和/或电元件的电解液的特性和/或加速度。由此能够给操作电池单体的人员展示特别全面的电池单体状态图。

已经显示出更为有利的是,指示装置构造成显示至少一个单值,其例如可给出电池单体的荷电状态和/或健康状态。健康状态(SoH,State of Health)允许获得关于电池单体老化状态的信息。此外还有利的是,指示装置能够给出单值,该单值提供电池单体的充电过程和/或放电过程的次数。

此外,可根据尤其温度的、压力的、电压的、电流的、机械应力的或电池单体所经受的加速度的峰值、即在电池单体的使用过程中所达到的最大值得出电池单体的状态。此外,对于全面性地评估电池单体的状态有帮助的是,指示装置构造成,使得能够显示提供电元件的电解液的特性的值。这种信息尤其能够促使判定出,电池单体还能满足何种功能。由此可以决定是更换电池单体或为了其它目的、尤其为了伴随有较低要求的目的而使用该电池单体。由此能够特别有利地使用电池单体的状态信息。

为了显示电池单体的状态,指示装置可包括至少一个发光装置,例如发出不同颜色的一个或多个信号灯。例如通过使用交通信号灯的红、黄和绿并且尤其结合可容易理解的符号能够特别简单易懂地信号表示电池单体的目前状况或状态。

额外地或可替代地,指示装置可包括显示屏,即,显示器或这种可视化装置。这尤其能够以相应高程度的细节性显示提供电池单体状态的信息。

额外地或可替代地,指示装置可构造成用于输出可通过声学获取的信号和/或可通过触觉获取的信号,其提供电池单体的目前状态。由此也可使操作电池单体的人员能够从外部得出电池单体的状态。例如可通过信号声指示电池单体的状态。或者可借助超声波脉冲而使电池单体壳体振动并由此向外部传达电池单体的状态。

在另一有利的设计方案中,指示装置构造成用于放大与电池单体的状态相关的信号。例如借助指示单元可探测脉动磁场和/或电场并且借助指示单元放大相应较弱的信号,从而可从电池单体壳体之外识别电池单体的状态。以这种方式提供外部的主动式指示装置,其尤其能够对电池单体状态的微小变化做出反应。

为了给指示装置提供电能,可使指示装置与电元件耦连。这尤其在本来应借助指示单元获取并传送由电元件提供的电压时是有利的。此外,指示装置由此直接地从电池单体中获取电能。但是这在由电池单体提供的电能方面毫无问题,因为指示装置消耗的能量非常少,即优选低功耗设计,尤其是超低功耗设计。

但是额外地或可替代地,为了给指示装置供电,可使指示装置与单独的电蓄能器耦连,例如与布置在电池单体壳体中的电容器耦连。设置这种单独的电蓄能器使得为指示装置提供电能与电池单体的电元件提供的电能无关。由此能够始终确保对电池单体状态的可靠显示。

尤其可在对电池单体充电时一起为这种电蓄能器充电。在车辆中使用具有多个电池单体的电池时,这例如可在所谓的再生运行期间进行。但是也可在将电池连接在电源上之后一起给单独的电蓄能器充电。

指示装置也可尤其构造成被动的指示器,其无需从电池之外供给电能。

最后已证实有利的是,指示装置构造成用于接收无线传输的能量。即,此时可取消复杂的导线连接。也可在使用例如呈光波形式的无线能量传输装置的情况下信号表示电池单体的状态。这例如可通过驱控安装在电池单体壳体外侧上的或集成在电池单体壳体中的发光二极管来进行(例如在中间连接光电池/光电管的情况下)。此时这种外部指示装置也无需从外部输送的能量。

根据本发明的电池包括多个根据本发明的电池单体,其可串联和/或并联。

根据本发明的机动车包括至少一个根据本发明的电池。机动车例如可构造成轿车,尤其电动汽车或混合动力汽车。此外,机动车也可为电驱动的摩托车或电驱动的自行车。

此外也能够将电池设置在固定的储能系统中。此外可设置成,在机动车中提供的电池作为所谓的二次使用电池继续应用,在其中电池被提供给不同类型的应用。因为尤其在二次使用应用中例如对电池单体的有效功率的要求低于在电池单体应用于机动车的电池时。

针对根据本发明的电池单体所描述的优点和优选实施方式也适用于根据本发明的电池和根据本发明的机动车。

附图说明

在说明书前面所述的特征和特征组合以及后续在附图描述中所述的和/或在附图中仅示出的特征和特征组合不仅能以相应给出的组合的形式使用,而且也能以其它组合形式或单独地使用,对此没有离开本发明的范围。因此,在附图中没有明确示出或阐述的、但是能够通过分开的特征组合从所述实施方式中得出和产生的实施方式也看作是包括在本发明中并且被公开。

本发明的其它优点、特征和细节由权利要求、后续的对优选实施方式的说明以及根据附图得出。对此示出:

图1高度示意性地并且以俯视图示出了具有集成在电池单体中的开关元件的电池单体,其中,借助电池单体的指示装置可显示出该电池单体的状态;以及

图2示出了根据图1的电池单体的示意性侧视图,在该示意性侧视图中示出了布置在电池单体中的部件。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了电池单体10,如该电池单体例如可用在机动车的电池中。电池单体10在此可例如构造成锂离子电池。在例如用作机动车的牵引电池的电池中,通常有多个这种电池单体10电串联和/或电并联,以便相应地提供高的电压和电流。

在这种电池单体10的串联电路中可出现总共非常高的电压,甚至几百伏特的电池电压,例如因为分别包含多个电池单体10的多个电池模块相互导电连接。该高电压以及短路或电弧的出现会带来人员危害。因此对于操作电池单体10(或具有多个电池单体10的电池)的人员重要的是识别出电池10是否构成了危险。这可通过参考附图描述的电池单体10来实现。

电池单体10包括电池单体壳体12,该电池单体壳体在此示例性地构造成棱柱形。在电池单体壳体12之内布置有电元件14,该电元件包括涂敷有相应的电化学材料的导电体16、18。在此,电元件14的电极被电化学活性材料和导电体16、18包围,为了简化仅示出了引导至电池单体10的第一电连接端20(例如正极)的导电体16和引导至电池单体10的第二电连接端22的导电体18,即,引导至负极的导电体18。

但是在图1中所示的电池单体10中能够使电元件14与电连接端20、22中的至少一个电分离。为此设置开关元件24,借助开关元件,通过使开关元件24打开,能够中断导电体16和连接端20之间的导电连接。通过闭合开关元件24能够再次建立在导电体16和连接端20之间的导电连接。

以类似的方式可设置(未示出的)第二开关元件,借助第二开关元件可中断或建立在导电体18和连接端22之间的导电连接。例如可构造成半导体元件的开关元件24在此与驱动模块连接,该驱动模块同样如开关元件24一样可布置在电池单体壳体12之内。

电池单体10具有指示装置26,借助指示装置能够为操作电池单体10的人员显示出电池单体10的状态。尤其可借助指示装置26显示出电状态,即,在连接端20、22或电池极上是否施加有电压。为此有利地,无需使用如例如从外部施加到连接端20、22上电压表这样的辅助器具。因为可借助指示装置26向外信号表示例如开关元件24的开关状态。

由此例如可通过尤其以有利的符号28设置的信号灯30或这种发光装置显示,开关元件24被打开并因此可无危险地操作电池单体10。信号灯30可尤其集成到指示装置26中。符号28可以易懂的方式表示出电池10的有利的无危险的状态,或者符号28也可取代信号灯30。

以这种方式例如也可显示电池单体10的特殊模式或状态,例如运输状态或安装状态或生产状态,在其中,通过打开开关元件24来去激活/停用电池单体10。

类似地,可借助同样可配设符号34的另一信号灯32作为电池单体10的状况或状态来显示,开关元件24闭合并因此在连接端20、22上施加电压。代替另一信号灯32,也可设置成第一信号灯30以另一颜色发光和/或可设置另一符号34例如用于将表示电池单体的危险状态的符号34显示在指示装置26上。

如果额外地设有又一信号灯36,其尤其可具有又一符号38时,此时可实现能特别简单获取的状态显示。在此,三个信号灯30、32、36例如可以绿色、黄色和红色的灯颜色来发光以便显示电池10的不同状态。信号颜色可额外地通过有利的符号28、不利的符号34或中立的符号38来补充,以便特别易懂地示出电池单体10的状态。额外地或可替代地,可在指示装置26上通过文字等给出电池单体10的状态。

但是,通过使用简单的信号灯30、32、36和/或符号28、34、38也能够很好地传达电池单体10的可能的故障或给出电池单体10的状态的其它信息。由此例如具有有利的符号28的信号灯30可显示出,电池单体10一切正常,而具有不利的符号34的信号灯32可指示电池单体10的故障或不利状态。

但是优选地,借助在此布置在电池单体壳体12上、确切地说在两个连接端20、22之间的指示装置26不仅仅能够确定开关装置24是闭合还是打开的。

如尤其从图2中获知,即,借助指示装置26也可确定,电元件14提供怎样的电压。由此也可将涉及电池单体电压的信息传达给操作电池单体10的人员。

此外优选地,指示装置26与传感器40耦连,该传感器能够获取关于电池单体10的多个其它参量。尤其可借助其中一个传感器40获取电池单体壳体12之内的温度并且通过指示装置26来信号表示。通过借助合适的传感器40来获取温度和/或压力还能够确定,例如在电池单体10中是否显现出热击穿(“thermal runaway”),即例如燃烧。但是也可借助指示装置26本身和/或借助其中一个传感器40确定电池单体10过度充电还是其过度放电,并相应地在指示装置26上进行显示。

此外,指示装置26或与指示装置26耦连的电子控制单元可配置成用于存储和/或评估由传感器40提供的数据。借助这种智能的电池单体(“SmartCell”)可向外信号表示多个其它状态,例如电池单体10的荷电状态、健康度或老化状态、充电周期或放电周期的数量等。

此外,可经由指示装置26将例如内压的当前值以及尤其在电池单体壳体12之内过去出现的压力的最大值向外信号表示。对电池单体10所经受的加速度、电流强度、温度、机械应力等的峰值或最大值的获取和显示也可借助指示装置26来告知,使得可从电池单体壳体12之外获知它们。

借助呈指示装置26形式的这种主动的状态显示可提供的信息的带宽与集成到电池单体10中的知识(Intelligenz)、即尤其是可从借助指示装置26和/或传感器40获取到的参量及其评估相关。这种评估可尤其通过集成到指示装置26中的评估装置来进行。

尤其通过借助指示装置26能显示出开关元件24是闭合的还是打开的,能够特别安全地操作电池单体10。因为在开关元件24打开的情况下中断在导电体16和连接端20之间的导电连接。该说明尤其例如在维护或维修包含电池单体10的电池的情况下操作电池单体10时是有利的。

同样适用于具有包含多个电池单体10的电池的机动车发生事故的情况。在此,在能够轻松确定电池单体10和电池是否构成危险时,例如对于救援人员也是有利的。

再多了解一些
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