具有壓敏的薄膜傳感器的蓄電池單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有蓄電池單元?dú)んw(12)和安置在所述蓄電池單元?dú)んw(12)內(nèi)的電極線圈(20)的蓄電池單元(10)。所述電極線圈(20)至少局部地被壓敏的薄膜傳感器(30)所覆蓋。此外，本發(fā)明還涉及一種具有至少一個(gè)這樣的蓄電池單元(10)的蓄電池的蓄電池管理系統(tǒng)。
【專利說明】具有壓敏的薄膜傳感器的蓄電池單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種蓄電池單元和一種用于包含相應(yīng)的蓄電池單元的蓄電池的蓄電池管理系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還提供了一種具有這樣的蓄電池管理系統(tǒng)的混合動力和電動機(jī)動車。
【背景技術(shù)】
[0002]未來，新型的蓄電池系統(tǒng)不僅投入到靜態(tài)的應(yīng)用領(lǐng)域，例如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、諸如混合動力車輛和電動車輛的機(jī)動車，而且還應(yīng)用于電子裝置，例如筆記本電腦或移動電話，這一趨勢將日漸明朗，這在可靠性、安全性、性能和使用壽命方面對新的電池系統(tǒng)提出了特別高的要求。
[0003]蓄電池應(yīng)用于至少部分地由電力驅(qū)動的車輛中，以便存儲用于支持驅(qū)動裝置或本身作為驅(qū)動裝置的電機(jī)的電能。在這里，在新一代的車輛中使用的是所謂的鋰離子蓄電池單元。這種蓄電池單元的突出之處是能量密度高和自放電特別低。鋰離子蓄電池單元具有一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極，在電極上面鋰離子能可逆地嵌入或重新脫嵌。通常來說，多個(gè)蓄電池單元合并為一個(gè)蓄電池模塊，并且接下來多個(gè)蓄電池模塊通過并聯(lián)連接或串聯(lián)連接合并為一個(gè)蓄電池。在這里，所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是需要一個(gè)有效的、能夠監(jiān)控蓄電池的各蓄電池單元的功能并控制其充電過程的蓄電池管理系統(tǒng)。通過這種方式能夠例如關(guān)斷和/或橋接有缺陷的蓄電池單元，輸出有關(guān)充電狀態(tài)的狀態(tài)消息以及必要時(shí)平衡蓄電池單元。
[0004]【背景技術(shù)】中的鋰離子蓄電池單元通常具有一個(gè)金屬的蓄電池單元?dú)んw，在該蓄電池單元?dú)んw內(nèi)安置有至少一個(gè)電極線圈。該電極線圈包括兩個(gè)上面涂敷有活性的陰極或陽極材料的金屬的基板。在兩個(gè)極板之間有一個(gè)隔板。蓄電池單元的電連接是通過電極線圈的上側(cè)或下側(cè)來實(shí)現(xiàn)的。
[0005]此外，已知了在不同的充電狀態(tài)下鋰離子蓄電池單元的體積會發(fā)生顯著的膨脹和收縮；也就是說，在充電時(shí)蓄電池單元的電極線圈會膨脹并且在放電時(shí)重新收縮。這種體積上的變化是通過鋰離子在電極內(nèi)的嵌入或脫嵌過程造成的。當(dāng)蓄電池單元相應(yīng)地發(fā)生變形時(shí)，這種體積上的變化會通過蓄電池單元的殼體繼續(xù)向外傳遞并進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池的幾何尺寸發(fā)生變化。因此，【背景技術(shù)】中的鋰離子蓄電池單元的殼體是由一種剛性的金屬體構(gòu)成。
[0006]US 2006/0246345 Al描述了一種以鋰離子蓄電池單元為基礎(chǔ)的蓄電池模塊，在該蓄電池模塊中，在蓄電池單元的殼體之間安置有壓電式傳感器。由該傳感器探測的測量值被輸送給蓄電池管理系統(tǒng)并且用于例如識別蓄電池的狀態(tài)。
[0007]DE 10 2007 063 188 Al涉及另一種蓄電池，該蓄電池是由多個(gè)鋰離子蓄電池單元組成的。在此，壓力傳感器被集成在蓄電池單元的金屬殼體內(nèi)或位于殼體的外部。利用通過該壓力傳感器確定的殼體的彈性變形能說明蓄電池的狀態(tài)。
[0008]此外，【背景技術(shù)】中的解決方案的缺點(diǎn)是，把一個(gè)壓力傳感器放置在殼體的內(nèi)壁或殼體的外部對電極線圈的體積變化不能提供直接的說明。因此，不能全面地進(jìn)行可靠的蓄電池狀態(tài)識別。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]借助依據(jù)本發(fā)明的蓄電池單元，尤其是鋰離子蓄電池單元能夠解決或者至少是能夠減少【背景技術(shù)】中的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)。所述蓄電池單元具有蓄電池單元?dú)んw和安置在蓄電池單元?dú)んw內(nèi)的電極線圈。所述蓄電池單元的突出之處在于電極線圈至少局部地被壓敏的薄膜傳感器所覆蓋。
[0010]本發(fā)明基于以下知識，即借助于位于蓄電池單元?dú)んw內(nèi)并且在那里與電極線圈直接接觸的薄膜傳感器能夠提供特別準(zhǔn)確的用于電極線圈的體積變化的測量參數(shù)。其中，薄膜傳感器被設(shè)置為壓敏的薄膜傳感器。
[0011]優(yōu)選地，壓敏的薄膜傳感器被設(shè)置成環(huán)繞所述電極線圈的帶子。也就是說，所述薄膜傳感器是圍繞著電極線圈(在用于電連接的連接點(diǎn)的外部)繞制的。
[0012]壓敏的薄膜傳感器尤其是具有電阻式、電容式、壓阻式或壓電式功能元件。換句話說就是，壓敏的薄膜傳感器優(yōu)選是一種電阻式、電容式、壓阻式或壓電式的壓力傳感器。
[0013]壓阻式的壓力傳感器包含具有安裝了電氣的電阻的膜片，并且主要被制成硅壓力傳感器。通過與壓力相關(guān)的膜片變形和在上擴(kuò)散的與所述變形相關(guān)的電阻，將形成一個(gè)電壓。壓力傳感器制造起來費(fèi)用低廉并且具有相對較高的靈敏度。雖然用于測量壓力的材料具有較強(qiáng)的溫度依賴性，但是，由于這種影響對所有的電阻都一樣，因此，也能夠通過形成差值的電路使這種影響不會發(fā)揮任何作用。
[0014]在壓電式傳感器中，將借助于壓力通過電荷分離而在晶體內(nèi)生成電壓。離子通過壓力在晶體的內(nèi)部移動，由此在表面上與力成比例地形成電荷。電荷通過電荷放大器轉(zhuǎn)換為成比例的電壓。壓電式傳感器原則上只測量力。如果使用的是壓力測量技術(shù)中的傳感器，那么壓力必須通過膜片才能按比例地轉(zhuǎn)換成力。此外，壓電式傳感器的優(yōu)勢在于其對高溫的靈敏度較低和高的靈敏度。
[0015]電容式壓力傳感器包含兩個(gè)電容器。在施加壓力時(shí)，膜片與兩個(gè)位于兩側(cè)的相對的電容器板之間的距離發(fā)生變化并由此引起電容器的電容逆向變化。大多數(shù)時(shí)候，電容器是內(nèi)部的放大器的一部分，其輸出信號與電容差相關(guān)。
[0016]此外，特別優(yōu)選的一種實(shí)施形式是在所述實(shí)施形式中壓敏的薄膜傳感器是壓阻式的壓力傳感器或壓電式的壓力傳感器并且在薄膜傳感器的范圍內(nèi)能夠通過熱敏的薄膜傳感器來獲取溫度。由此能夠完全直接地并且高度準(zhǔn)確地校準(zhǔn)測量值的溫度依賴性。
[0017]此外，優(yōu)選地，蓄電池單元的電極連接端用作壓敏的薄膜傳感器的信號線。換句話說就是，按照電源線的原理傳輸測量信號，例如，像在已知的載頻設(shè)備中利用電源線通過已有的通信網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)進(jìn)行語音傳輸和數(shù)據(jù)傳輸那樣。為此，信號還額外地通過一個(gè)或多個(gè)載頻被調(diào)制到已有的線路上。由此能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池單元的特別緊湊的結(jié)構(gòu)并且省去額外的信號線與薄膜傳感器的連接。
[0018]本發(fā)明的另一方面提供一種包含至少一個(gè)上述的蓄電池單元的蓄電池的蓄電池管理系統(tǒng)。所述蓄電池管理系統(tǒng)包含蓄電池狀態(tài)識別裝置。所述蓄電池狀態(tài)識別裝置被設(shè)置為讀入由壓敏的薄膜傳感器所提供的測量值或從所述測量值導(dǎo)出的數(shù)值并且利用它們作為分析參數(shù)來確定蓄電池狀態(tài)。特別地，所述蓄電池狀態(tài)識別裝置被設(shè)置為借助于所述測量值或?qū)С龅臄?shù)值確定所述蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)或老化狀態(tài)(SOH)?；谶@些特征參數(shù)能夠例如在可給定的負(fù)載配置(Lastprofilen) (SOF)的情況下實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓的預(yù)告，而這又能夠作為電能管理的輸入來控制機(jī)動車內(nèi)的能量流。換句話說就是，通過在電極線圈上探測壓力關(guān)系能夠直接地說明蓄電池的充電狀態(tài)(State of Charge, SOC)。此外，也能夠?qū)匣癄顟B(tài)(State of Health, SOH)進(jìn)行說明，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移電化學(xué)特性會變化，例如，蓄電池單元的可用電容變差。因此，經(jīng)過多次充電循環(huán)之后或由于蓄電池單元可能遭受的不可修復(fù)的損壞，在電極線圈上的壓力關(guān)系也會發(fā)生變化。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，能夠提高蓄電池單元的安全性。蓄電池單元是由高反應(yīng)性的可燃物質(zhì)組成的，這些物質(zhì)在受到極端的外部影響時(shí)(高溫，過充電，機(jī)械變形)是一種大的危險(xiǎn)源。基于直接對在電極線圈上的壓力關(guān)系的探測，能夠例如在發(fā)生自發(fā)放熱反應(yīng)而引起蓄電池燃燒或爆炸之前提前采取應(yīng)對措施。所述應(yīng)對措施包括例如快速地并且受控地進(jìn)行蓄電池單元的放電。
[0019]最后，本發(fā)明還涉及一種含有這樣的蓄電池管理系統(tǒng)的混合動力車輛或電動車輛。
[0020]在優(yōu)選的實(shí)施方式中和說明書中將描述本發(fā)明的有利的改進(jìn)方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]將借助于附圖和后續(xù)的說明書進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)施例。唯一的附圖示出了:
[0022]圖1以局部剖視圖示出了依據(jù)本發(fā)明所述的蓄電池單元。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1以局部剖視圖示出了蓄電池單元10。蓄電池單元10包括金屬的蓄電池單元?dú)んw12，其上側(cè)被蓋板14封住。在蓋板14的區(qū)域內(nèi)安置有負(fù)極16和過壓閥18。電極線圈20位于蓄電池單元?dú)んw12的內(nèi)部，該電極線圈是由陽極22、陰極24和位于其間的隔板26組成的線圈。陽極22在電極線圈20的上側(cè)通過導(dǎo)電體28與負(fù)極16電連接。陰極24位于形成正極的金屬的蓄電池單兀殼體12上。
[0024]壓敏的薄膜傳感器30直接位于電極線圈20處，在這里是電容式的壓力傳感器。如圖所示，隔板26也是圍繞著薄膜傳感器30繞制的。但是，薄膜傳感器30也能夠只安裝在電極線圈20的外側(cè)。
[0025]置入薄膜傳感器30這一工序能夠直接整合在電極線圈20或蓄電池單元10的制造過程之中并且借此能夠明顯地節(jié)省成本。薄膜傳感器30具有特別低的結(jié)構(gòu)高度，因此不會妨礙蓄電池單元化學(xué)過程。例如，由于能夠同時(shí)印制薄膜傳感器30的引線，薄膜傳感器30通常不需要額外的粘合過程。薄膜傳感器30也能夠例如用作電極線圈20的保護(hù)膜。
[0026]壓敏的薄膜傳感器30能夠具有通過常用的制造工藝制造的電阻式、電容式、壓阻式或壓電式功能元件。所以，例如能夠使用壓制法、層壓法或粘合法。為了能夠有效地探測電極線圈20的體積收縮和由此引起的在各層之間的機(jī)械應(yīng)力，應(yīng)該對電極線圈20的邊緣區(qū)域不作分析或不配置薄膜傳感器30。
[0027]在一種實(shí)施形式中，薄膜傳感器能夠是電容式薄膜傳感器30。為此，在聚合物載體薄膜上面涂敷全表面的或結(jié)構(gòu)化的、平面的例如含鋁的第一金屬涂層作為電極。該金屬涂層被電介質(zhì)所覆蓋，該電介質(zhì)是可彈性地復(fù)位變形的材料(例如聚酰亞胺)。之后，再涂敷全表面的或結(jié)構(gòu)化的、平面的第二金屬涂層，通過該金屬涂層產(chǎn)生的電極與第一金屬涂層的電極基本上是并行安置。最后，實(shí)現(xiàn)覆蓋層(例如漆層或聚合物薄膜作為防腐層或防氧化層)。通過兩個(gè)電極的距離變化能夠改變電容，并且根據(jù)該參數(shù)能夠推導(dǎo)出蓄電池內(nèi)的當(dāng)時(shí)的壓力或這獲取電極線圈20的體積變化。
[0028]替代地，薄膜傳感器也能夠設(shè)置成壓電式的薄膜傳感器30。優(yōu)選地，壓電式的薄膜是由聚偏氟乙烯(PVDF)、透明的部分結(jié)晶的熱塑性塑料制成的，熱塑性塑料為了生成壓電性能而被極化處理，就是說，被加熱處理、單維拉長并且在偶極子方向上被置于強(qiáng)大的定向電磁場之下。為了排出在變形過程中產(chǎn)生的偶極子電荷，PVDF薄膜被涂敷一層金屬。優(yōu)選地，該金屬涂層是由黃金或銅鎳合金形成的。然后，能夠借助于電極在壓電薄膜的邊緣處截取電荷并借助于電荷放大器使得電荷轉(zhuǎn)換成可測量的電壓。傳感器的能源供應(yīng)能夠例如借助于蓄電池電壓來實(shí)現(xiàn)。
[0029]由薄膜傳感器30提供的測量值通過導(dǎo)電體28和負(fù)極16作為載頻調(diào)制到蓄電池的連接線(在這里未顯示)上。一個(gè)(在這里同樣未顯示的)蓄電池管理系統(tǒng)獲取該測量值并且此外在蓄電池狀態(tài)識別裝置中對該測量值進(jìn)行分析，以便確定充電狀態(tài)(SOC)或老化狀態(tài)(SOH)。在蓄電池管理系統(tǒng)內(nèi)，所探測的壓力關(guān)系能夠例如用于蓄電池的狀態(tài)監(jiān)控或確定蓄電池的低的特征值。同時(shí)，通過壓力關(guān)系的探測能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池單元的無危險(xiǎn)的循環(huán)再利用。
【權(quán)利要求】
1.一種蓄電池單元(10)，其具有蓄電池單元?dú)んw(12)和安置在所述蓄電池單元?dú)んw(12)內(nèi)的電極線圈(20)，其特征在于，所述電極線圈(20)至少局部地被壓敏的薄膜傳感器(30)所覆蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池單元，其中，所述壓敏的薄膜傳感器(30)被設(shè)置為環(huán)繞所述電極線圈(20)的帶子。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的蓄電池單元，其中，所述壓敏的薄膜傳感器(30)具有電阻式、電容式、壓阻式或壓電式的功能元件。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的蓄電池單元，其中，所述蓄電池單元(10)的電極連接端用作所述壓敏的薄膜傳感器(30)的信號線。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蓄電池單元，其中，所述壓敏的薄膜傳感器(30)是壓阻式的或壓電式的薄膜傳感器，并且在所述薄膜傳感器(30)的區(qū)域內(nèi)的溫度將通過熱敏的薄膜傳感器來獲取。
6.一種蓄電池的蓄電池管理系統(tǒng)，所述蓄電池包含至少一個(gè)具有蓄電池單元?dú)んw(12)和安置在所述蓄電池單元?dú)んw(12)內(nèi)的電極線圈(20)的蓄電池單元(10)，其中，所述蓄電池管理系統(tǒng)包括蓄電池狀態(tài)識別裝置，其特征在于，所述蓄電池單元(10)的所述電極線圈(20)至少局部地被壓敏的薄膜傳感器(30)所覆蓋，并且所述蓄電池狀態(tài)識別裝置被設(shè)置為讀入由所述壓敏的薄膜傳感器(30)所提供的測量值或由該測量值導(dǎo)出的數(shù)值并且將由所述壓敏的薄膜傳感器(30)所提供的測量值或由該測量值導(dǎo)出的數(shù)值用作用于確定蓄電池狀態(tài)的分析參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蓄電池管理系統(tǒng)，其中，所述蓄電池狀態(tài)識別裝置被設(shè)置為借助于由所述壓敏的薄膜傳感器(30)所提供的測量值或從該測量值導(dǎo)出的數(shù)值確定充電狀態(tài)(SOC)或老化程度(SOH)。
8.—種混合動力或者電動機(jī)動車,其具有根據(jù)權(quán)利要求6或7中任一項(xiàng)所述的蓄電池管理系統(tǒng)。
【文檔編號】G01R31/36GK103457005SQ201310287598
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月4日
【發(fā)明者】J·施奈德, C·潘基維茨, R·哈斯, F·亨里齊 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社