用于机动车电池的电池单体、电池和机动车的制作方法

本发明涉及一种用于机动车电池的电池单体。电池单体包括电池单体壳体，在该电池单体中容纳有电元件/电化学元件(galvanischeselement)。电池单体经由两个电气连接端可以与电池的至少一个另外的电池单体电气连接。此外本发明还涉及一种具有多个这样的电池单体的电池和一种具有电池的机动车。

背景技术：

由现有技术例如文献de102010045037a1已知的是，将多个电池单体连接为一个电池以便提供特定的电压或特定的电流。这样的电池当今特别是用作机动车例如电动车或混合动力车辆中的牵引用电池，以用于提供电驱动能。

在由现有技术已知的电池单体的连接端或电池极上在正常情况下存在电压。假如现在多个电池单体连接为串联电路，那么可以由此产生高的和危险的电压。例如用于机动车的牵引用电池可以提供几百伏特的电压。相应地必须采取特别的安全措施，以便在电池运行中和在制造中避免人员危险。亦即存在如下可能，即出现短路或危险的电弧。同时例如由于短路可能突然释放巨大的能量。

技术实现要素：

因此本发明的任务在于，实现一种开始所述类型的电池单体、电池和机动车，其能实现特别安全的运行。

该任务通过具有权利要求1的特征的电池单体、具有权利要求9的特征的电池以及具有权利要求10的特征的机动车来解决。具有本发明的适宜改进的有利设计方案在从属权利要求中给出。

按照本发明的电池单体具有至少一个开关元件，其被构造成用于中断和用于建立在电元件的引出头与电气连接端中的至少一个之间的导电连接。那么可以借助于至少一个开关元件选择性地中断或建立导电连接。这允许无电压地切换电气连接端中的至少一个，并且在设有两个开关元件的情况下无电压地切换两个电气连接端。因此可以负责用于，在电池单体的电气连接端上仅仅当期望的情况下才存在电压。这能实现电池单体的特别安全的运行和旁路。亦即可以无危险地处理电池单体，该电池单体的电气连接端无电压地被切换。再者在出现电池单体故障时可以断开在引出头与电气连接端中的至少一个之间的连接。由此可以由该电池单体不再产生危险，并且运行是特别安全的。

电元件优选被构造成二次电池单体，其能放电以给电气部件供电并且在放电之后又能充电。在此电元件以自身已知的方式包括例如金属薄膜形式的引出头，其以电元件的电极的电化学活性材料被覆层。此外设有电解质以及将电化学活性材料相互分开的隔离器。在这样的电元件中可以堆叠地、折叠地或缠绕地存在引出头，从而电元件也称为电池单体堆或电池单体卷。

优选地，第一开关元件设置在电元件的第一引出头与电气连接端之一之间而第二开关元件设置在第二引出头与电池单体的两个电气连接端中的另一个之间。通过设有分别一个配设给相应的引出头或相应的电气连接端的开关元件，可以确保电元件与电池的另外的电池单体的安全分离。

特别有利的是，电池单体壳体由导电材料如例如铝形成。那么亦即可以对于电元件导电接触电池单体壳体的情况，避免出现通过电气连接端中之一的短路电流。也可以发生的是，在一个电池单体与另一电池单体之间或在电池单体内电绝缘是故障的。通过打开两个开关元件，亦即通过中断在相应引出头元件与相应电气连接端之间的导电连接，那么可以确保：该在绝缘方面出故障的电池单体与其他电池单体电气分离。

在过去的电池中在电池层面上监控电绝缘的存在。然而通过设有绝缘监测器亦即传感器(其实施在电池单体壳体与引出头中的至少一个之间的电阻测量)，可以确定绝缘故障的位置。即可以识别在电池内在绝缘方面出故障的电池单体。也就是说如果出现这样的故障，那么可以将有关的电池单体通过中断导电连接而断开。附加或备选地可以输出如下警告：电池单体具有故障。

优选地，至少一个开关元件被构造成半导体元件，其可以借助于驱动组件/控制功能块(treiberbaustein)进行切换。那么可以根据多个影响参数对开关元件的切换行为进行调节或编程。通过设有这样的驱动组件或驱动器用于驱控半导体元件，给电池单体赋予智能，电池单体也即被构造成所谓的smartcell(“智能电池单体”)。这能实现，导出或预先规定切换标准，例如通过在驱动组件的存储器中保存特性曲线或特性曲线族。通过这种方式可以特别好地确保电池单体的安全运行。

优选地，驱动组件设置在电池单体壳体内。于是驱动组件受到良好保护。此外可以给驱动组件特别好地输送传感器的信号，该传感器检测电池单体的参数并且为此同样位于电池单体壳体内。

半导体元件可以被构造成二进制开关，其中在一个切换状态下中断在引出头与至少一个电气连接端之间的导电连接并且在另一切换状态下建立导电连接。这可以例如通过设有功率晶体管作为半导体元件来实现。

备选地然而半导体元件的电阻可以借助于驱动组件来改变。因此近乎为零的导通电阻或可变电阻可以负责用于建立导电连接，并且近乎无限的电阻用于中断导电连接。在具有可变电阻的半导体元件的实施方案中，半导体元件也可以通过功率晶体管来提供。

设置具有可变电阻的开关元件例如可以用于，在具有并联连接的、具有不同内阻的电池单体的电池中确保均匀的通过电流流经并联连接的电池单体。也即内阻的区别可以借助于可变电阻来补偿。并联连接的电池单体的通过这种方式可实现的均匀的负载导致并联连接的电池单体的特别缓慢和尤其是特别均匀的老化。

该至少一个开关元件优选设计用于低电压和高电流。例如其可以设计用于直至10伏特左右的电压和用于峰值直至1000a或更大的电流强度。所述设计然而依赖于相应电池单体的功率能力。

为了提供这样的特性，作为开关元件可以例如应用具有反向二极管的功率分离开关，例如场效应晶体管，特别是mosfet(金属氧化物半导体场效应管)，优选功率mosfet。也可以在电气连接端中至少之一与引出头之间的路段上作为开关元件设有具有两个场效应晶体管(特别是两个mosfet)的电子继电器，所述两个场效应晶体管反串联地连接，其中相互依次电气连接的场效应晶体管具有导通方向相反的反向二极管。因此可以特别可靠地确保导电连接的中断。附加地或备选地，至少一个开关元件可以被构造成氮化镓开关(gan-开关)或者类似的具有这样的具有宽的带状空隙的材料——其例如为碳化硅的形式——的开关元件。

这样的半导体元件带来在电气特性方面极大的优点，特别是关于大的电流密度或功率密度方面，其对于每个半导体元件是可实现的。再者这样可以提供特别紧凑的开关元件，其此外允许特别高的切换速度，特别是几百千赫兹(以及更多)。这样的半导体开关也允许直至250摄氏度的特别高的运行温度，而不会导致开关元件的不可逆的损坏。此外利用所述半导体元件可以实现特别低的导通电阻，其伴随着值得期望的小的开关损耗。

特别是至少一个开关元件可以设计为所谓的栅极发射晶体管(git)，例如设计为自截止类型的氮化镓晶体管。这样的氮化镓晶体管因此特别高程度地具有上述有利特性。这样的开关元件在栅极连接端上没有控制电压的情况下不允许电流流经。即这样的开关元件在没有控制电压的情况下位于关断状态，在该关断状态中中断导电连接。这出于安全原因来说是有利的。

已经证实为更有利的是，为了给驱动组件供应电能，驱动组件与电元件耦合。于是驱动组件直接由电池单体获得对于开关元件的切换必要的电能。这一点关于由电池单体提供的电能然而是没有问题的，因为非常小的能量就足以应付驱动组件，亦即优选低功率实施方案，特别是超低功率实施方案。

附加地或备选地，为了给驱动组件供应电能，驱动组件可以与电蓄能器耦合，例如与设置在电池单体壳体中的电容器耦合。设置这样的单独的蓄能器使得对于驱动组件的电能的提供不依赖于由电池单体的电元件提供的电能。因此可以总是确保开关元件的安全切换。特别是这样的电蓄能器可以在电池单体充电时被一起充电。当在车辆中应用具有多个电池单体的电池时，这一点例如可以在所谓的回收运行期间进行。单独的蓄能器然而也可以在电池连接到电流源上之后一起充电。

已经证实为更有利的是，借助于驱动组件可检测来自如下组中的至少一个参数，该组包括流经电池单体的电流的电流强度。在此驱动组件被构造成用于，根据所述至少一个参数改变至少一个开关元件的切换状态。因此例如可以确保，在高短路电流、例如电流强度为2千安至4千安的电流的情况下实现电元件与连接端或电池正负极的安全的、特别是多次的分离并且因此实现电池单体的关断。因此附加的安全防护措施集成到电池单体中。

附加地或备选地，例如可以借助于至少一个与驱动组件耦合的传感器来检测例如温度作为所述至少一个参数。当开关元件例如由于开关元件的运行而具有比较高的温度时，可能损坏其功能可靠性。在这样的情况下，驱动组件可以负责用于，只有当开关元件又冷到足以可以安全履行其切换功能时才改变该至少一个开关元件的切换状态。因此集成了超温保护装置并且例如在可能短路时确保安全分离。

然而附加地或备选地也可能的是，在温度过高时如此改变至少一个开关元件的切换状态，使得导电连接被中断。因此可以在可能短路时安全关断电池单体。

在电池单体外部温度加载的情况下，亦即在不是通过在电池单体内的过程引起热施加的情况下，驱动组件可以为了安全起见驱控开关元件并且中断导电连接。这可以是例如如下情况，即由于另一电池单体或电池的其他部件(或与电池邻接的部件)起火而导致热进入该电池单体中。关于这样的在电池单体中出现的或者由电池单体的环境作用于电池单体上的热加载的信息可以优选借助于驱动组件来通信，例如被告知给电池的上级控制装置。附加或备选地，这样的信息可以保存在驱动组件的存储器中并且在需要时读取。

已经证实为更有利的是，借助于至少一个与驱动组件耦合的传感器或借助于驱动组件自身可以检测电压和/或压力和/或电元件的电解质的特性和/或加速度，其中驱动组件设计为，根据至少一个这样的参数改变至少一个开关元件的切换状态。

例如可以在超过这样的参数的阈值时中断在引出头与电气连接端之间的导电连接。通过这种方式可特别是确保，将故障的电池单体与电池的电池单体组电流阻断。

特别是，如果例如在超过温度、电流强度或电压的最高值时关断或脱开电池单体，则可以提供过充保护。电池单体的这样的自脱离也可以按照熔断保险装置的形式在超过例如温度、电流强度、压力或诸如此类的最高值时实现。

此外对于电池单体的安全性有益的是，根据加速度改变至少一个开关元件的切换状态。因此在配备电池的机动车中例如在碰撞的情况下可以确保电池单体的无电压切换。

优选地，驱动组件被构造成用于，检查至少一个开关元件的功能可靠性。即可以在驱动组件中集成自诊断功能，其中例如以可预先给定的时间间隔检查至少一个开关元件。为此可以借助于驱动组件进行在开关元件上的测量，该测量给出关于开关元件的状态的结论。

这样的自诊断可以以可预先给定的、可编程的时间间隔来设定或在外部发起。例如，这样的对开关元件的状态或者其功能可靠性的查询可以由(例如形式为电池管理系统的微处理器的)外部控制装置来发起。由此在开关元件故障的情况下可以负责用于持久中断导电连接。另一方面可以通过检查开关元件来确定：开关元件是否可以可靠地转变到其不同的切换状态。故障开关元件的存在那么可以告知给操作人员并且在需要时更换开关元件。

此外优选的是，驱动组件设计为用于与电池的控制装置通信。在此可以设有有线和/或无线的通信。由此可以将开关元件的故障和/或相应切换状态告知给控制装置、例如电池管理系统。再者控制装置可以驱控驱动组件并且因此特别是在整个电池的状态方面通过驱动组件引起导电连接的中断或建立，该驱动组件驱控开关元件。

已经证实为更有利的是，通过施加控制电压可将至少一个开关元件从中断在引出头与至少一个电气连接端之间的导电连接的切换状态变到建立导电连接的切换状态。于是在无电压状态下开关元件是打开的并且电池正负极或连接端是无电压的。由此不能无意地在连接端上存在电压，而是为此必须施加控制电压。

开关元件可以设置在相应引出头上或相应连接端上。为此，例如被构造成半导体元件的开关元件可以设置在连接端框架或引线框上，其又例如与引出头例如通过焊接、拼接或力锁合地、特别是通过压配合相连接。类似地，引线框也可以设置在电池单体的电气连接端或接线端上。这样布置开关元件特别是在在电池单体壳体内可供使用的结构空间方面是有利的。再者这样可以特别好地建立在开关元件特别是半导体元件与电池单体壳体之间的导热接触。通过这种方式可以特别好地将热由开关元件导出。

在另一有利地设计方案中，电池单体包括如下一种装置，该装置用于不可逆地破坏在至少一个开关元件与引出头和/或至少一个电气连接端之间的电接触。通过激活该装置那么可以按照自破坏功能的方式如此破坏开关元件，使得持久中断导电连接。虽然这使得单个电池单体不可用，然而可以由此避免电池的其他电池单体的损坏。

除此之外，另一开关装置例如继电器和/或半导体开关元件可以经由相应的母线/电流轨与电池单体的两个连接端相连接。如果开关装置是打开的，那么没有电流经由母线(以及开关装置)流经电池单体的电气连接端。亦即在打开的状态下电池单体按照常规可以用于提供电能和/或充电。然而如果开关装置闭合，那么电流可以经由母线和开关装置在电池单体的两个连接端之间流动。在该情况下该电池单体的电元件被跨接(或者称旁路)。

亦即如果驱动组件例如根据传感器数据确定了电池单体的损坏，那么驱动组件也可以驱控所述另一开关装置闭合。跨接的该可能性特别是在电池单体的串联连接的情况下是特别有利的。如果串联连接的电池单体之一是故障的，亦即具有损坏，那么该电池单体可以通过开关装置的闭合而被跨接。

如果损坏的电池单体与另外的相同的电池单体串联连接并且流经损坏的电池单体的通过电流被中断，那么串联电路中的通过电流被中断。通过开关装置的闭合然而以简单的方式跨过故障的电池单体并且经由故障的电池单体的开关装置将电流引导到相邻的电池单体。换言之，可以维持在串联电路内的通过电流并且因此维持整个电池的功能可靠性。由此，例如设置在机动车中用以驱动机动车的电池可以继续提供电能。相应地，机动车的驾驶员有利地具有如下可能，即搜索维修车间。开关装置和母线可以特别是设置在电池单体壳体内。

电接触的不可逆的破坏可以特别是通过化学反应和/或通过温度提高和/或通过压力而引起。例如可以通过施加热按照熔断保险装置的形式实现电接触的中断，其方法是：非常局部地并且足够长时间地产生足够高的温度。该足够高的温度可以例如位于300摄氏度以上并且因此引发电池单体的自动的去激活。不可逆的破坏可以例如通过局部加热或烟火技术地或通过化学反应而引起，其又可以被热触发或通过压力提高而触发。例如在此反应性的化学制剂——其在相互反应时局部释放热和/或引起相应高的压力的出现——可以用于破坏电接触。

在使用这样的专用单元或化学制剂包封件时优选如此实现，即该化学制剂不与电元件的电解质或电池单体的其他构件特别是驱动组件发生反应或者腐蚀电解质或构件。由此亦即可靠地避免了，招致提早触发自破坏功能并进而使电池单体去激活。

附加或备选地可以形成有用于去激活电元件的装置，例如其方法在于：使电元件的电解质化学地去活或者变得无害。然后电单元/电化学电池(galvanischezelle)的所有其他化学反应也被中断。这样的自破坏功能也可以通过设置具有化学制剂的单元来引起，该单元布置在电池单体壳体内部中。这样的单元可以电触发或者通过化学反应来触发，以便随后引起电元件的去激活。

最后证实为有利的是，开关元件的切换状态由外部是可感知的。这例如对于电池的发送、储放和由电池单体的组装是有利的，因为由电池单体壳体外部可以容易地确定，在电池单体的电气连接端上是否存在有电压。

例如可以在开关元件闭合的情况下探测在电池单体内变化的电场或磁场并且放大这样的信号。通过这样的方式可以提供有源的外部的指示器。然而也可以在电池单体壳体上在外部设有无源指示器，例如灯、特别是发光二极管，其光给出关于至少一个开关元件的切换状态的消息。这样的发光二极管可以特别是被供以由电元件提供的电能。于是不需要外部能源。然而也可以例如设有通过光波实现的无线能量传输。

借助于上述可切换的电池单体可以按照国际详述的安全要求、例如按照asil(汽车安全完整性等级)的d级确保电池单体自身以及其所有构件和组件的功能安全性。

也可以按照asil的d级安全地确定出，开关元件是闭合的还是打开的。

按照本发明的电池包括多个按照本发明的电池单体，这些电池单体可以串联连接和/或并联连接。

按照本发明的机动车包括至少一个按照本发明的电池。机动车可以被构造成例如轿车、特别是电动车或混合动力车辆。此外机动车也可以是电动摩托车或电动自行车。

此外也可能的是，电池设置在静止的蓄能系统中。除此之外可以规定，已提供在机动车中的电池进一步用作所谓的二次生命电池，其中即电池被提供给其他性质的用途。特别是在二次生命应用中，例如对电池单体的功率能力的要求可以比在电池单体用于机动车电池的应用中的小。

对于按照本发明的电池单体所述的优点和优选实施形式也适用于按照本发明的电池以及按照本发明的机动车。

以上在说明书中所述的特征和特征组合以及以下在附图说明中所述的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以分别给出的组合而且能以其他组合或单独使用，而不会脱离本发明的保护范围。因此以下实施方案也视为由本发明包括和公开，所述实施方案虽然在附图中没有明确示出或阐明，然而通过从所阐明的实施方案中分选出特征进行组合可得知和可产生。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节由权利要求、优选实施形式的以下描述以及根据附图产生。其中：

图1示意地示出机动车的电池的电池单体，其中在电池单体的电元件的电极与电池单体的正负极之间设置有半导体开关元件，所述半导体开关元件由驱动组件驱控，以便中断在电极与正负极之间的导电连接；以及

图2示意地示出按照图1的电池单体，其中然而半导体开关元件的电阻可以借助于驱动组件改变。

具体实施方式

在图1中示意地示出例如可用在机动车电池中的电池单体10。电池单体10可以为此例如被构造成锂离子电池单体。在如用作机动车的牵引用电池的电池中，通常多个这样的电池单体10电气串联和/或并联地连接，以便提供相应高的电压和电流。

在这样的电池单体10串联连接的情况下，总体上可以出现电池的非常高的电压，而且是几百伏特的电压，例如因为多个分别包括多个电池单体10的电池模块相互导电连接。该高电压以及还有短路或电弧的出现可以导致对于人员的危险。这样的危险应避免或降低。这可以通过参照附图描述的电池单体10实现。

电池单体10包括电池单体壳体12，其在此示例性地被构造成棱柱形。在电池单体壳体12内设置有电元件14，其包括以相应电化学材料覆层的引出头16、18。在此，对于电元件14的包括电化学活性材料和引出头16、18的电极，为了简化仅仅示出通到电池单体10的第一电气连接端20(例如正极)的引出头16和通到电池单体10的第二电气连接端22的引出头18、亦即通到负极的引出头18。

然而在图1中示出的电池单体10中可以实现，将电元件14与电气连接端20、22电气分离。为此设有第一开关元件24，借助于该第一开关元件可以中断在引出头16与连接端20之间的导电连接，其方法是：打开开关元件24。通过闭合开关元件24可以建立在引出头16与连接端20之间的导电连接。

类似地设有第二开关元件26，借助于该第二开关元件可以中断或建立在引出头18与连接端22之间的导电连接。例如可以被构造成半导体元件的开关元件24、26在此由驱动组件28切换，该驱动组件如开关元件24、26那样同样也设置在电池单体壳体12内。借助于驱动组件28可以检测例如流经电池单体10的电流的电流强度。在如例如在短路时出现的电流过高的情况下，那么驱动组件28可以引起开关元件24、26的打开，例如其方法是：中断给开关元件24、26施加控制电压。同样可以根据例如借助于驱动组件28检测到的电池单体10的电压的最高值引起开关元件24、26的打开。

通过设有驱动组件28，给电池单体10赋予智能，其允许根据多个影响参数动态地对开关元件24、26的切换行为进行编程。为此驱动组件28可考虑其他参数，这些参数例如由设置在电池单体壳体12内或电池单体壳体12外的传感器30来检测。这样的传感器30可以检测例如温度、压力、加速度、特别是沿三个相互垂直的方向的加速度、电元件14的电解质的特性以及诸如此类。通过考虑这样的参数可以例如通过特性曲线族确定多个接通标准和关断标准。因此可以根据多个所述参数确保中断或建立在引出头16、18与电气连接端20、22之间的电气连接。

为了改变开关元件24、26的切换状态也可以考虑使用如下信息，该信息由上级位置、例如由如存在于电池管理系统中的那样的控制装置传送给驱动组件28。驱动组件28的为此设置的、例如无线的通信连接32在图1中示出。因此例如可以负责使得，关断单个故障的电池单体10，而电池的另外的电池单体10可以继续提供电能用于车辆运行。

可以向驱动组件28供应由电元件14提供的电能。附加或备选地，为了可以提供驱动组件28所需要的非常小的能量的量，设有单独的蓄能器，例如以小的电容器的形式。

在图1中示出的电池单体10中，优选被构造成半导体元件的开关元件24、26的天然的切换状态是打开的，从而两个电池极或连接端20、22通常是无电压的。通过由驱动组件28给开关元件24、26施加控制电压，建立起在电元件14与电气连接端20、22之间的导电连接。

在图1中示出的电池单体10中可以仅打开或闭合开关元件24、26，其中，在闭合的开关元件24、26的情况下能实现通过相应开关元件24、26的最大通过电流。为此开关元件24、26可以例如被构造成功率晶体管。

在图2中示出的电池单体10中相比之下可以借助于驱动组件28改变开关元件24、26的电阻。这样的开关元件24、26也可以被构造成半导体元件，例如被构造成具有可变的导通电阻的功率晶体管。借助于这样的开关元件24、26可以在最大电阻(r＝∞)下中断在引出头16、18与电气连接端20、22之间的导电连接。此外然而可以通过改变电阻来改变流经开关元件24、26的电流。当并联连接的电池单体10应被均匀地加载而其中电池单体10具有不同内阻时，这一点例如是有利的。

开关元件24、26可以例如设置在被构造成集电触点板的引出头16、18上，例如其方法是：对它们进行焊接、拼合或通过压配合使它们固定。开关元件24、26然而也可以集成到电气连接端20、22中，电气连接端20、22也称为电池单体10的接线端。开关元件24、26的冷却可以通过电池单体壳体12实现。

通过使驱动组件28检测参数如电流强度和电压和/或经由传感器30获得传送的测量值(该测量值涉及温度、压力、加速度和诸如此类)，开关元件24、26可以配备有集成的自触发功能。因此在超过所述参数的最高值时可以中断导电连接。因此可以类似于熔断式保险装置地实现自动触发，其然而是可逆的。

特别是通过检测在电池单体壳体12内部中或还有在电池单体壳体12外部的温度，可以实现超温保护，通过该超温保护确保，只有当相应的开关元件24、26足够冷时才实现电池单体10的接通。因此可以在总是可能的短路时安全断开在引出头16、18与电气连接端20、22之间的导电连接。然而也可以在温度过高时实现电池单体10的自动脱离或自动关断以用于保护。

附加地，可以实现不可逆地破坏开关元件24、26或其与电气连接端20、22和/或引出头16、18的电接触。为此例如特殊的包封件可以设置在电池单体壳体12内，该包封件安全、局部并且超过足够长的时间段地提供例如大于300摄氏度的温度并且因此引发电池单体10的自动去激活。这样的自破坏可以通过电信号例如通过加热或通过如在安全气囊触发时的那样的烟火技术或者通过化学反应来触发。在此，热冲击或提高的压力可以用于触发化学反应。这样的具有化学制剂的包封件也可以——例如电触发地或通过化学反应触发地——负责用于，化学地去激活电元件14的电解质或使得其变得无害。于是也中断电元件14的化学反应，该化学反应导致在电元件14上提供电压。

驱动组件28可以具有例如按照内建自测试(bist)类型的自诊断供能，以便例如以可编程的时间间隔发起自诊断。然而也可以通过外部触发器如例如电池管理系统的微处理器来发起：应进行这样的对开关元件24、26的功能可靠性的查询。