WO2014029538A1 - Batteriezelle mit einer elektronischen schaltung - Google Patents

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WO2014029538A1
WO2014029538A1 PCT/EP2013/063882 EP2013063882W WO2014029538A1 WO 2014029538 A1 WO2014029538 A1 WO 2014029538A1 EP 2013063882 W EP2013063882 W EP 2013063882W WO 2014029538 A1 WO2014029538 A1 WO 2014029538A1
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battery cell
electronic circuit
microcontroller
battery
sensor
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PCT/EP2013/063882
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Bernhard Seubert
Thomas Woehrle
Markus Klausner
Joachim Fetzer
Stefan Butzmann
Holger Fink
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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Definitions

  • Battery cell with an electronic circuit The present invention relates to a battery cell with an electronic circuit
  • Circuit via which at least one switching means can be controlled which is arranged within a current path between a battery cell terminal and an electrode of the battery cell.
  • the battery cells for example, the battery cells of a lithium-ion battery, must be connected to semiconductor devices and sensors to maintain the safety and electrical functionality of the battery cell, for example, within a battery system upright.
  • DE 10 2009 036 608 A1 discloses a rechargeable battery having at least one rechargeable battery cell for providing a battery voltage, wherein the battery has at least one indicator element which provides a physical parameter and comprises at least one externally accessible communication port.
  • a battery cell which comprises a battery cell housing, a battery cell housing cover and two
  • the battery cell comprises a positive electrode and a negative electrode, which are inside the
  • Battery cell housing arranged and connected via a respective current path within the battery cell housing, each having a battery cell terminal. Furthermore, the battery cell comprises an electronic circuit.
  • At least one of the current paths between the positive electrode or the negative electrode and in each case one battery cell terminal has at least one switching means, which can be controlled by the electronic circuit.
  • An advantage of such a battery cell is that a targeted position of the voltage and the current of the battery cell is possible by the battery cell internal control of the at least one switching means in the current path. As a result, the battery cell can be operated as an independent voltage or current source.
  • the electronic circuit has a communication interface, via which the battery cell can be connected to a bus system.
  • the battery cell for example, data via a bus system with other components or units, For example, with a battery system, replace.
  • the electronic circuit has at least one sensor for detecting at least one measured variable of the battery cell.
  • the sensor for detecting for example, the
  • Battery cell states integrated directly into the battery cell and does not need to be provided externally.
  • the at least one sensor is adapted to the
  • the electronic circuit has at least one arithmetic unit which is designed to determine the state of charge and / or the state of aging and / or the
  • SoH State of health
  • the electronic circuit preferably has a microcontroller and at least one data storage element connected to the microcontroller.
  • Microcontrollers are very well adaptable in terms of performance and features to the particular application intended for them. Furthermore, they are very inexpensive compared to other computing systems.
  • microcontroller with the
  • Communication interface connected and adapted to a stored in the at least one connected to the microcontroller data storage element record an external control device on the
  • Microcontroller connected to the at least one sensor and includes the
  • the battery cell has at least one pressure compensation element, which can be controlled by the electronic circuit. If an overpressure or underpressure forms within the battery cell, it can be detected independently by the battery cell and also be compensated independently.
  • the electronic circuit is designed as a module which forms the battery cell housing cover.
  • the electronic circuit is designed as a mold module or as a circuit on a substrate or as a circuit on a printed circuit board.
  • Moldmodule is a cladding body that securely and robustly encloses the electronic circuit.
  • the at least one sensor is located on the inside of the battery cell housing cover and the at least one sensor is electrically connected via a gas-tight through-connection with an evaluation electronics
  • the senor is spatially separated from the evaluation electronics in an advantageous manner.
  • the evaluation of the electronic circuit is also realized in the microcontroller.
  • the electronic circuit is designed as an integrated circuit. As a result, the space available within the battery cell can also be expanded.
  • the battery cell is designed as a lithium-ion battery cell.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a battery cell according to the invention with a possible integration concept of an electronic circuit within the battery cell according to the invention
  • Figure 2 shows an embodiment of an electronic circuit of a battery cell according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a battery cell 40 according to the invention with a possible integration concept of an electronic circuit 10 within the battery cell 40 according to the invention.
  • Battery cell 40 according to the invention comprises a battery cell housing 30, a battery cell housing cover 28 and two battery cell terminals 1 1 and 12, which are guided through the battery cell housing cover 28 in this embodiment.
  • Battery cell terminals 11 and 12 is the battery cell terminals 11 and 12
  • Battery cell 40 according to the invention with a battery system, but also with, for example, a consumer connectable. Furthermore, the
  • Battery cell 40 a positive electrode 13 and a negative electrode 14, between which a separator, not shown, is arranged in this embodiment. Both the positive electrode 13 and the negative electrode 14 are inside the battery cell case 30 arranged. In each case one current path within the battery cell housing 30, both the positive electrode 13 and the negative electrode 14 are each connected to a battery cell terminal 1 1, 12. In this
  • the positive electrode 13 is connected via a current path to the battery cell terminal 1 1 of the battery cell 40, while the negative electrode 13 is connected via a current path
  • Electrode 14 via a different current path with the remaining of the
  • Battery cell terminals 12 of the battery cell 40 is connected. Furthermore, the battery cell 40 according to the invention has an electronic circuit 10, which in this exemplary embodiment is arranged purely by way of example on the inside of the battery cell housing cover 28, inside the battery cell 40.
  • Battery cell terminal 11 are interrupted by the opening of a arranged within this electrical connection switching means, wherein the switching means is controlled by the electronic circuit 10.
  • the switching means is controlled by the electronic circuit 10.
  • a switching means can also be arranged in a battery cell 40 according to the invention alternatively or additionally in the current path between the negative electrode 14 and the battery cell terminal 12. Also, multiple switching means within one
  • the electronic circuit 10 purely by way of example, a drive circuit or
  • the electronic circuit 10 is designed purely as an example as an integrated circuit.
  • the electronic circuit 10 can also be designed differently, for example as a module, in particular as a mold module, which the
  • Battery cell housing cover 28 of the battery cell 40 forms.
  • the battery cell housing 30 of the battery cell 40 is thus closed by the battery cell housing cover 28 forming electronic circuit 10.
  • the electronic circuit 10 can also form the battery cell housing cover 28 and still be designed differently, for example, be realized on a substrate.
  • the components and units of the electronic circuit 10 can be highly integrated up to a silicon area.
  • the electronic circuit 10 can be realized on a ceramic substrate or on a printed circuit board. In this case, for example, provide printed circuit boards on aluminum, stainless steel or plastic base, since this to form a robust
  • Battery cell case cover 28 contribute. Furthermore, the electronic circuit can also be integrated in a metal substrate or realized on another base support for electronic components.
  • the electronic circuit 10 can also in this way, that is, choosing the same carrier medium or the same materials and
  • the electronic circuit 10 can also be arranged and embodied using completely different materials at a completely different position within a battery cell 40 according to the invention.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an electronic circuit 10 of a battery cell 40 according to the invention.
  • the electronic circuit 10 has a communication interface 21 via which the battery cell 40 can be connected to a bus system.
  • the bus system can be embodied purely by way of example as a CAN bus, as a LIN bus, as a FlexRay bus, as an Ethernet or else as another bus system.
  • the components of the communication interface 21 are isolated from the rest of the electronic circuit 10.
  • the bus system can be embodied purely by way of example as a CAN bus, as a LIN bus, as a FlexRay bus, as an Ethernet or else as another bus system.
  • the components of the communication interface 21 are isolated from the rest of the electronic circuit 10.
  • the bus system can be embodied purely by way of example as a CAN bus, as a LIN bus, as a FlexRay bus, as an Ethernet or else as another bus system.
  • the components of the communication interface 21 are isolated from the rest of the electronic circuit 10.
  • the bus system can be embodied purely by way of example as a CAN bus, as a LIN bus, as a FlexRay bus, as an Ethernet or else as another bus system.
  • the components of the communication interface 21 are isolated
  • Communication interface 21 of the electronic circuit 10 further comprises a running as a boost converter converter unit 24, via which the electronic circuit 10 with the positive and negative electrode (not shown) of the battery cell 40 is connectable and can be fed.
  • the embodiment of the electronic circuit 10 with a communication interface 21 is optional for a battery cell 40 according to the invention. Battery cells 40 according to the invention can also be designed without or with a different design
  • Communication interface 21 for example, with a wireless
  • the electronic circuit 10 has a microcontroller 3 and a data storage element (not shown) connected to the microcontroller 3. Via a digital isolator 4, the microcontroller 3 in this embodiment with the transceiver circuit
  • the microcontroller 3 is configured to have one connected to the microcontroller 3
  • Data record stored data record an external control device via the communication interface 21 to transmit.
  • the electronic circuit 10 furthermore has four sensors 2 for detecting 4 measured quantities of the battery cell 40 according to the invention.
  • the measured variables are the
  • the four sensors 2 are connected to a computing unit which is designed to determine the state of charge, the state of aging as well as the energy content of the selected variable from selected ones of the four measured variables
  • the microcontroller 3 is connected to the four sensors 2 and configured to measure the measured variables detected by the sensors 2
  • Battery cell 40 to calculate the state of charge (SoC), the state of health (SoH) and the energy content of the battery cell 40.
  • the detected measured variables as well as those generated by the microcontroller 3 calculated quantities (SoC, SoH, energy content) can be stored as a data record in the data storage element. Furthermore, in the
  • Data storage element records containing information about the battery cell characteristics for a battery cell characterization. If the battery cell 40 is thus connected, for example, to a higher-level control unit, the battery cell 40 can autonomously identify with it or the battery cell 40 can be characterized. This is possible since the microcontroller 3 in this exemplary embodiment is designed to store data records stored in the data storage element via the
  • Communication interface 21 to external control devices for example, to a central battery management unit to transmit.
  • a record can therefore a higher-level control unit, for example, for tax and
  • Control functions are provided via the communication interface 21.
  • the battery cell 40 further comprises, in this embodiment, a pressure compensation element (not shown) which can be activated by the electronic circuit 10. If in the battery cell 40 a Kochatory a negative pressure before, the same can over the
  • Pressure compensation element can be compensated for by control by the electronic circuit 10.
  • two of the four sensors 2 are located on the inside of the battery cell housing cover 28. These two sensors 2 are electrically connected via a gas-tight via with an evaluation of the electronic circuit 10, which in this embodiment also in the microcontroller 3 of
  • the electronic circuit 10 has a plurality of switching means, which are designed in this embodiment as a circuit breaker and can be controlled by the electronic circuit 10. Also, the switching means 1 in the current path between, in this embodiment, the positive electrode 13 and the battery cell terminal 11 can be controlled via a designed as a bridge driver circuit control electronics 6 of the electronic circuit 10. In this embodiment, the electronic circuit 10 further comprises a functional block, which performs the function of switching on and off the
  • Power supply block 33 for a battery cell 40 according to the invention optional.
  • electronic circuits 10 within battery cells 40 according to the invention without these units and components.
  • they can also be designed and arranged differently than in the exemplary embodiment of FIG.
  • only one sensor 2 or more than four sensors 2 can be realized in the electronic circuit 10 of a battery cell 40 according to the invention.
  • other than the measurement quantities mentioned here can be detected by these sensors 2.
  • the state of charge or the state of aging can be determined by a separate computing unit and not by the microcontroller 3.
  • the realization of a pressure compensation element the same also does not have to be replaced by a
  • Microcontroller 3 are controlled. Such a pressure compensation element can for example also be controlled by a separate unit.

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Abstract

Es wird eine Batteriezelle(40) zur Verfügung gestellt, welche ein Batteriezellengehäuse (30), einen Batteriezellengehäusedeckel (28) und zwei Batteriezellenterminals (11, 12) umfasst, über welche die Batteriezelle (40) mit einem Batteriesystem verbindbar ist. Ferner umfasst die Batteriezelle (40) eine positive Elektrode (13) und eine negative Elektrode (14), welche innerhalb des Batteriezellengehäuses (30) angeordnet und über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses (30) mit jeweils einem Batteriezellenterminal (11, 12) verbunden sind. Des Weiteren umfasst die Batteriezelle (40) eine elektronische Schaltung (10). Erfindungsgemäß weist mindestens einer der Strompfade zwischen der positiven Elektrode (13) oder der negativen Elektrode (14) und jeweils einem Batteriezellenterminal (11, 12) mindestens ein Schaltmittel (1) auf, welches durch die elektronische Schaltung (10) ansteuerbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriezelle mit einer elektronischen Schaltung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer elektronischen
Schaltung, über welche mindestens ein Schaltmittel angesteuert werden kann, welches innerhalb eines Strompfades zwischen einem Batteriezellterminal und einer Elektrode der Batteriezelle angeordnet ist. Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen) als auch in Fahrzeugen (z. B. Hybrid- und
Elektrofahrzeugen) vermehrt neue Batterien beziehungsweise Batteriezellen zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich ihrer
Zuverlässigkeit gestellt werden. Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie beziehungsweise der Batteriezellen zu einem Ausfall des Gesamtsystems (z. B. einem Ausfall der Traktionsbatterie bei einem Elektrofahrzeug) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann.
Aus diesem Grund müssen die Batteriezellen, beispielsweise die Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie, mit Halbleiterbauelementen sowie Sensoren beschaltet werden, um die Sicherheit sowie die elektrische Funktionstüchtigkeit der Batteriezelle beispielsweise innerhalb eines Batteriesystems, aufrecht erhalten zu können.
Im Stand der Technik erfolgt eine solche Beschaltung extern, wird also mit anderen Worten ausgedrückt, nicht innerhalb der Batteriezelle sondern beispielsweise innerhalb oder außerhalb eines Batteriesystems beziehungsweise einer Batterie realisiert. Dies allerdings bedeutet, dass die Batteriezellen des Standes der Technik für sich allein betrachtet keine eigensicheren Elemente darstellen, sondern stets auf die Zuverlässigkeit externer Einheiten
beziehungsweise Komponenten angewiesen sind, welche innerhalb der externen Beschaltung verwendet werden.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2009 036 608 A1 eine wiederaufladbare Batterie mit mindestens einer wiederaufladbaren Batteriezelle zur Bereitstellung einer Batteriespannung, wobei die Batterie mindestens ein Indikatorelement aufweist, welches einen physikalischen Parameter bereitstellt sowie mindestens einen von außen zugänglichen Kommunikationsanschluss umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche ein Batteriezellengehäuse, einen Batteriezellengehäusedeckel und zwei
Batteriezellenterminals umfasst, über welche die Batteriezelle mit einem
Batteriesystem verbindbar ist. Ferner umfasst die Batteriezelle eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, welche innerhalb des
Batteriezellengehäuses angeordnet und über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses mit jeweils einem Batteriezellenterminal verbunden sind. Des Weiteren umfasst die Batteriezelle eine elektronische Schaltung.
Erfindungsgemäß weist mindestens einer der Strompfade zwischen der positiven Elektrode oder der negativen Elektrode und jeweils einem Batteriezellenterminal mindestens ein Schaltmittel auf, welches durch die elektronische Schaltung ansteuerbar ist.
Vorteilig an einer solchen Batteriezelle ist, dass durch die batteriezelleninterne Ansteuerung des mindestens einen Schaltmittels im Strompfad eine gezielte Stellung der Spannung sowie des Stroms der Batteriezelle möglich wird. Dadurch ist die Batteriezelle als eigenständige Spannungs- beziehungsweise Stromquelle betreibbar.
Bevorzugt weist die elektronische Schaltung eine Kommunikationsschnittstelle auf, über welche die Batteriezelle mit einem Bussystem verbindbar ist. Durch eine solche Ausführungsform kann die Batteriezelle beispielsweise Daten über ein Bussystem mit anderen Komponenten beziehungsweise Einheiten, beispielsweise mit einem Batteriesystem, austauschen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektronische Schaltung mindestens einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Messgröße der Batteriezelle auf. Damit ist der Sensor zur Erfassung von beispielsweise den
Batteriezellzuständen direkt in die Batteriezelle integriert und muss nicht extern bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Sensor dazu ausgebildet, die
Batteriezellspannung und/oder den Batteriezellstrom und/oder den
Batteriezelldruck und/oder die Batteriezelletemperatur zu erfassen.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform weist die elektronische Schaltung mindestens eine Recheneinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, den Ladezustand und/oder den Alterungszustand und/oder den
Energieinhalt der Batteriezelle zu ermitteln.
Dadurch kann sowohl die Erfassung der wichtigsten Messgrößen der
Batteriezelle als auch deren Auswertung, wie beispielsweise die Berechnung des Ladezustandes (State of Charge, SoC) der Batteriezelle beziehungsweise des
Alterungszustandes (State of Health, SoH) der Batteriezelle direkt innerhalb der Batteriezelle erfolgen. Sowohl die Erfassung der Messgrößen der Batteriezelle als auch deren Auswertung muss dann nicht mehr durch externe Komponenten realisiert werden.
Vorzugsweise weist die elektronische Schaltung einen Mikrocontroller sowie mindestens ein mit dem Mikrocontroller verbundenes Datenspeicherelement auf. Mikrocontroller sind sehr gut in Leistung und Ausstattung auf die jeweilige, für sie vorgesehene Anwendung anpassbar. Des Weiteren sind sie gegenüber anderen Rechensystemen sehr kostengünstig.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung ist der Mikrocontroller mit der
Kommunikationsschnittstelle verbunden und dazu ausgelegt, einen in dem mindestens einen mit dem Mikrocontroller verbundenen Datenspeicherelement abgelegten Datensatz einem externen Steuergerät über die
Kommunikationsschnittstelle zu übermitteln. Somit kann die Batteriezelle als eigenständiger Energiespeicher als auch in einem Energiespeicherverband zum Einsatz kommen.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist der
Mikrocontroller mit dem mindestens einen Sensor verbunden und umfasst der
Datensatz Informationen über mindestens eine durch den mindestens einen Sensor erfasste Messgröße der Batteriezelle und/oder Informationen über Batteriezellmerkmale zu einer Batteriezellcharakterisierung. Dadurch wird unter anderem ermöglicht, dass die Batteriezelle sich eigenständig, beispielsweise in einem übergeordneten Batteriemanagementsystem, mit ihren
Batteriezellmerkmalen identifiziert.
Bevorzugt weist die Batteriezelle mindestens ein Druckausgleichselement auf, welches durch die elektronische Schaltung ansteuerbar ist. Bildet sich innerhalb der Batteriezelle ein Über- oder Unterdruck, kann dieser von der Batteriezelle eigenständig erfasst und ebenfalls eigenständig ausgeglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektronische Schaltung als Modul ausgeführt, welches den Batteriezellengehäusedeckel bildet. Dadurch kann der zur Verfügung stehende Bauraum innerhalb der Batteriezelle erweitert werden, da die elektronische Schaltung innerhalb der Batteriezelle nur sehr wenig Raum beansprucht.
Bevorzugt ist die elektronische Schaltung als Moldmodul oder als Schaltung auf einem Substrat oder als Schaltung auf einer Leiterplatte ausgeführt. Bei einem
Moldmodul handelt es sich um einen Umhüllungskörper, der die elektronische Schaltung sicher und robust einschließt.
Vorzugsweise befindet sich der mindestens eine Sensor an der Innenseite des Batteriezellengehäusedeckels und ist der mindestens eine Sensor elektrisch über eine gasdichte Durchkontaktierung mit einer Auswerteelektronik der
elektronischen Schaltung verbunden. Dadurch ist der Sensor räumlich in vorteilhafter Weise von der Auswerteelektronik getrennt. Bevorzugt ist die Auswerteelektronik der elektronischen Schaltung ebenfalls in dem Mikrocontroller realisiert. Bevorzugt ist die elektronische Schaltung als integrierte Schaltung ausgeführt. Dadurch kann ebenfalls der innerhalb der Batteriezelle zur Verfügung stehende Bauraum erweitert werden.
Bevorzugt ist die Batteriezelle als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgeführt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem möglichen Integrationskonzept einer elektronischen Schaltung innerhalb der erfindungsgemäßen Batteriezelle, und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 mit einem möglichen Integrationskonzept einer elektronischen Schaltung 10 innerhalb der erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 dargestellt. Die
erfindungsgemäße Batteriezelle 40 umfasst ein Batteriezellengehäuse 30, einen Batteriezellengehäusedeckel 28 sowie zwei Batteriezellenterminals 1 1 und 12, welche in diesem Ausführungsbeispiel durch den Batteriezellengehäusedeckel 28 geführt sind. Über die Batteriezellenterminals 11 und 12 ist die
erfindungsgemäße Batteriezelle 40 mit einem Batteriesystem, jedoch auch mit beispielsweise einem Verbraucher verbindbar. Ferner weist die
erfindungsgemäße Batteriezelle 40 eine positive Elektrode 13 und eine negative Elektrode 14 auf, zwischen denen in diesem Ausführungsbeispiel ein nicht dargestellter Separator angeordnet ist. Sowohl die positive Elektrode 13 als auch die negative Elektrode 14 sind innerhalb des Batteriezellengehäuses 30 angeordnet. Über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses 30 sind sowohl die positive Elektrode 13 als auch die negative Elektrode 14 mit jeweils einem Batteriezellenterminal 1 1 , 12 verbunden. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die positive Elektrode 13 über einen Strompfad mit dem Batteriezellenterminal 1 1 der Batteriezelle 40 verbunden, während die negative
Elektrode 14 über einen anderen Strompfad mit dem verbleibenden der
Batteriezellenterminals 12 der Batteriezelle 40 verbunden ist. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Batteriezelle 40 eine elektronische Schaltung 10 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft auf der Innenseite des Batteriezellengehäusedeckels 28, innerhalb der Batteriezelle 40, angeordnet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Strompfad zwischen der positiven Elektrode 13 und dem Batteriezellenterminal 11 ein Schaltmittel auf (nicht dargestellt), welches durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann in diesem Ausführungsbeispiel die elektrische Verbindung zwischen der positiven Elektrode 13 und dem
Batteriezellenterminal 11 durch das Öffnen eines innerhalb dieser elektrischen Verbindung angeordneten Schaltmittels unterbrochen werden, wobei das Schaltmittel durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar ist. Dabei ist sowohl die Position als auch die Realisierung lediglich eines Schaltmittels in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Ein Schaltmittel kann in einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 auch alternativ oder ergänzend in dem Strompfad zwischen der negativen Elektrode 14 und dem Batteriezellenterminal 12 angeordnet sein. Auch können mehrere Schaltmittel innerhalb eines
Strompfades angeordnet und durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar sein. Auch die Position der elektronischen Schaltung 10 ist in diesem
Ausführungsbeispiel beispielhaft gewählt.
Zum Zweck der Ansteuerung des Schaltmittels kann die elektronische Schaltung 10 rein beispielhaft eine Ansteuerschaltung beziehungsweise
Treiberschaltungen, aber auch andere Einheiten, wie beispielsweise
Recheneinheiten aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektronische Schaltung 10 rein beispielhaft als integrierte Schaltung ausgeführt. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch anders, beispielsweise als Modul, insbesondere als Moldmodul ausgeführt sein, welches den
Batteriezellengehäusedeckel 28 der erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 bildet. Bei einer solchen Ausführung ist das Batteriezellengehäuse 30 der Batteriezelle 40 also durch die den Batteriezellengehäusedeckel 28 bildende elektronische Schaltung 10 verschließbar. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch den Batteriezellengehäusedeckel 28 ausbilden und dennoch anders ausgeführt beispielsweise auf einem Substrat realisiert sein. Beispielweise können die Komponenten und Einheiten der elektronischen Schaltung 10 bis zu einer Siliziumfläche hochintegriert werden. Auch kann die elektronische Schaltung 10 auf einem Keramiksubstrat oder auf einer Leiterplatte realisiert werden. In diesem Fall bieten sich beispielsweise Leiterplatten auf Aluminium-, Edelstahloder Kunststoff-Basis an, da diese zur Ausbildung eines robusten
Batteriezellengehäusedeckel 28 beitragen. Ferner kann die elektronische Schaltung auch in einem Metallsubstrat integriert oder auf einem sonstigen Basisträger für elektronische Komponenten realisiert werden. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch auf diese Art und Weise, das heißt, unter Wahl desselben Trägermediums beziehungsweise derselben Materialien und
Integrationsart ausgeführt sein, ohne den Batteriezellengehäusedeckel 28 der Batteriezelle 40 auszubilden. Die elektronische Schaltung 10 kann aber auch unter Verwendung ganz anderer Materialien an einer ganz anderen Position innerhalb einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 angeordnet und ausgeführt sein.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektronische Schaltung 10 eine Kommunikationsschnittstelle 21 auf, über welche die Batteriezelle 40 mit einem Bussystem verbindbar ist. Ein solches
Bussystem kann dabei rein beispielhaft als CAN-Bus, als LIN-Bus, als FlexRay- Bus, als Ethernet oder aber auch als anderes Bussystem ausgeführt sein. Dabei sind die Komponenten der Kommunikationsschnittstelle 21 von dem Rest der elektronischen Schaltung 10 isoliert. Rein beispielhaft umfasst die
Kommunikationsschnittstelle 21 in diesem Ausführungsbeispiel eine Transceiver-
Schaltung 22, welche zwei Anschlüsse aufweist, über die die
Kommunikationsschnittstelle 21 und damit die elektronische Schaltung 10 mit den Busleitungen eines Bussystems, in diesem Ausführungsbeispiel mit den Busleitungen eines CAN-Bussystems, verbindbar ist. Ferner weist die
Kommunikationsschnittstelle 21 in diesem Ausführungsbeispiel eine Fehler-
Auswerteeinheit 23 auf, über welche ein empfangenes Fehlersignal ausgewertet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die
Kommunikationsschnittstelle 21 der elektronischen Schaltung 10 des Weiteren eine als Hochsetzsteller ausgeführte Wandlereinheit 24, über welche die elektronische Schaltung 10 mit der positiven und der negativen Elektrode (nicht dargestellt) der Batteriezelle 40 verbindbar und speisbar ist. Die Ausführung der elektronischen Schaltung 10 mit einer Kommunikationsschnittstelle 21 ist für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 40 optional. Es können auch erfindungsgemäße Batteriezellen 40 ohne oder mit einer anders ausgeführten
Kommunikationsschnittstelle 21 , beispielsweise mit einer drahtlosen
Kommunikationsschnittstelle 21 ausgeführt sein.
Die elektronische Schaltung 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Mikrocontroller 3 sowie ein mit dem Mikrocontroller 3 verbundenes, nicht dargestelltes Datenspeicherelement auf. Über einen digitalen Isolator 4 ist der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel mit der Transceiver-Schaltung
22 sowie mit der Fehler-Auswerteeinheit 23 der Kommunikationsschnittstelle 21 verbunden. Ferner ist der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgelegt, einen in dem mit dem Mikrocontroller 3 verbundenen
Datenspeicherelement abgelegten Datensatz einem externen Steuergerät über die Kommunikationsschnittstelle 21 zu übermitteln.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 weist die elektronische Schaltung 10 ferner vier Sensoren 2 zur Erfassung von 4 Messgrößen der erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 auf. Bei den Messgrößen handelt es sich um die
Batteriezellspannung, den Batteriezellestrom, den Batteriezelldruck und die
Batteriezelltemperatur. Die vier Sensoren 2 sind mit einer Recheneinheit verbunden, welche dazu ausgelegt ist, aus ausgewählten der vier Messgrößen den Ladezustand, den Alterungszustand sowie den Energieinhalt der
Batteriezelle 40 zu berechnen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die
Recheneinheit innerhalb des Mikrocontrollers 3 realisiert beziehungsweise durch diesen gebildet. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel mit den vier Sensoren 2 verbunden und dazu ausgebildet, aus den durch die Sensoren 2 erfassten Messgrößen der
Batteriezelle 40 den Ladezustand (State of Charge, SoC), den Alterungszustand (State of Health, SoH) sowie den Energieinhalt der Batteriezelle 40 zu berechnen. Die erfassten Messgrößen sowie die durch den Mikrocontroller 3 berechneten Größen (SoC, SoH, Energieinhalt) können als Datensatz in dem Datenspeicherelement abgelegt werden. Des Weiteren sind im
Datenspeicherelement Datensätze hinterlegt, welche Informationen über die Batteriezellmerkmale für eine Batteriezellcharakterisierung umfassen. Wird die Batteriezelle 40 also beispielsweise mit einem übergeordneten Steuergerät verbunden, kann sich die Batteriezelle 40 eigenständig bei diesem identifizieren beziehungsweise die Batteriezelle 40 charakterisiert werden. Dies ist möglich, da der Mikrocontroller 3 in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgelegt ist, in dem Datenspeicherelement abgelegte Datensätze über die
Kommunikationsschnittstelle 21 an externe Steuergeräte, beispielsweise an eine zentrale Batteriemanagementeinheit, zu übermitteln. Ein Datensatz kann also einem übergeordneten Steuergerät, beispielsweise für Steuer- und
Regelfunktionen, über die Kommunikationsschnittstelle 21 zur Verfügung gestellt werden.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle 40 weist in diesem Ausführungsbeispiel des Weiteren ein Druckausgleichselement (nicht dargestellt) auf, welches durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar ist. Liegt in der Batteriezelle 40 ein Überbeziehungsweise ein Unterdruck vor, kann selbiger über das
Druckausgleichselement per Ansteuerung durch die elektronische Schaltung 10 ausgeglichen werden. In diesem Ausführungsbeispiel befinden sich zwei der vier Sensoren 2 an der Innenseite des Batteriezellengehäusedeckels 28. Diese zwei Sensoren 2 sind elektrisch über eine gasdichte Durchkontaktierung mit einer Auswerteelektronik der elektronischen Schaltung 10 verbunden, welche in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls in dem Mikrocontroller 3 der
elektronischen Schaltung 10 realisiert ist.
Ferner weist die elektronische Schaltung 10 eine Vielzahl von Schaltmitteln auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Leistungsschalter ausgeführt und durch die elektronische Schaltung 10 ansteuerbar sind. Auch das Schaltmittel 1 im Strompfad zwischen, in diesem Ausführungsbeispiel, der positiven Elektrode 13 und dem Batteriezellenterminal 11 ist über eine als Brückentreiber-Schaltung ausgeführte Ansteuerelektronik 6 der elektronischen Schaltung 10 ansteuerbar. In diesem Ausführungsbeispiel weist die elektronische Schaltung 10 ferner einen Funktionsblock auf, welcher die Funktion der Ein- und Ausschaltung der
Batteriezelle sowie die Taktung der elektronischen Schaltung 10 bereitstellt. Des Weiteren weist die elektronische Schaltung 10 in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft eine Vielzahl an weiteren logischen Einheiten sowie
elektronischer Komponenten auf, wie beispielsweise Logikgatter 19, einen Energieversorgungs-Block 33 zur Speisung der anderen Einheiten und
Schaltungsteile der elektronischen Schaltung 10, Gatetreiber sowie
Komponenten zur Signalaufbereitung. Diese Vielzahl an weiteren logischen Einheiten sowie elektronischer Komponenten ist rein beispielhaft gewählt, für die elektronische Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 nur optional, und wird hier nicht weiter beschrieben.
In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung 10 sind alle Einheiten und Komponenten, wie beispielsweise der Mikrocontroller 3, die Sensoren 2, die Kommunikationsschnittstelle 21 oder der
Energieversorgungsblock 33 für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 40 optional. Es können also auch elektronische Schaltungen 10 innerhalb erfindungsgemäßer Batteriezellen 40 ohne diese Einheiten und Komponenten realisiert werden. Sind solche Einheiten beziehungsweise Komponenten in der elektronischen Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 realisiert, können diese auch anders als in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 ausgeführt und angeordnet sein. Es können beispielsweise auch nur ein Sensor 2 oder mehr als vier Sensoren 2 in der elektronischen Schaltung 10 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 40 realisiert sein. Auch können von diesen Sensoren 2 andere als die hier erwähnten Messgrößen erfasst werden. Auch können beispielsweise der Ladezustand oder der Alterungszustand von einer separaten Recheneinheit und nicht von dem Mikrocontroller 3 ermittelt werden. Ferner muss bei Realisierung eines Druckausgleichselementes selbiges ebenfalls nicht durch einen
Mikrocontroller 3 angesteuert werden. Ein solches Druckausgleichselement kann beispielsweise auch durch eine separate Einheit angesteuert werden.

Claims

Ansprüche
1. Batteriezelle (40), umfassend
- ein Batteriezellengehäuse (30),
- einen Batteriezellengehäusedeckel (28),
- zwei Batteriezellenterminals (1 1 ,12), über welche die Batteriezelle (40) mit einem Batteriesystem verbindbar ist,
- eine positive Elektrode (13) und eine negative Elektrode (14), welche innerhalb des Batteriezellengehäuses (30) angeordnet und über jeweils einen Strompfad innerhalb des Batteriezellengehäuses (30) mit jeweils einem Batteriezellenterminal (11 , 12) verbunden sind,
- eine elektronische Schaltung (10),
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens einer der Strompfade zwischen der positiven Elektrode (13) oder der negativen Elektrode (14) und jeweils einem Batteriezellenterminal (11 , 12) mindestens ein Schaltmittel (1 ) aufweist, welches durch die elektronische Schaltung (10) ansteuerbar ist.
2. Batteriezelle (40) nach Anspruch 1 , wobei die elektronische Schaltung (10) eine Kommunikationsschnittstelle (21) aufweist, über welche die
Batteriezelle (40) mit einem Bussystem verbindbar ist.
3. Batteriezelle (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung (10) mindestens einen Sensor (2) zur Erfassung mindestens einer Messgröße der Batteriezelle (40) aufweist.
4. Batteriezelle (40) nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Sensor (2) dazu ausgebildet ist, die Batteriezellspannung und/oder den
Batteriezellstrom und/oder den Batteriezelldruck und/oder die
Batteriezellentemperatur zu erfassen.
5. Batteriezelle (40) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die elektronische
Schaltung (10) mindestens eine Recheneinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den Ladezustand und/oder den Alterungszustand und/oder den Energieinhalt der Batteriezelle (40) zu ermitteln.
6. Batteriezelle (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung (10) einen Mikrocontroller (3) sowie mindestens ein mit dem Mikrocontroller (3) verbundenes Datenspeicherelement aufweist.
7. Batteriezelle (40) nach Anspruch 2 und 6, wobei der Mikrocontroller (3) mit der Kommunikationsschnittstelle (21) verbunden und dazu ausgelegt ist, einen in dem mindestens einen mit dem Mikrocontroller (3) verbundenen Datenspeicherelement abgelegten Datensatz einem externen Steuergerät über die Kommunikationsschnittstelle (21) zu übermitteln.
8. Batteriezelle (40) nach Anspruch 3 und 7, wobei der Mikrocontroller (3) mit dem mindestens einen Sensor (2) verbunden ist und wobei der Datensatz Informationen über mindestens eine durch den mindestens einen Sensor (2) erfasste Messgröße der Batteriezelle (40) und/oder Informationen über Batteriezellmerkmale zu einer Batteriezellcharakterisierung umfasst.
9. Batteriezelle (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle (40) mindestens ein Druckausgleichselement aufweist, welches durch die elektronische Schaltung (10) ansteuerbar ist.
10. Batteriezelle (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung (10) als Modul ausgeführt ist, welches den
Batteriezellengehäusedeckel (28) bildet.
1 1. Batteriezelle (40) nach Anspruch 10, wobei die elektronische Schaltung (40) als Moldmodul oder als Schaltung auf einem Substrat oder als Schaltung auf einer Leiterplatte ausgeführt ist.
12. Batteriezelle (40) nach Anspruch 3 oder 4, wobei sich der mindestens eine Sensor (2) an der Innenseite des Batteriezellengehäusedeckels (28) befindet und elektrisch über eine gasdichte Durchkontaktierung mit einer
Auswerteelektronik der elektronischen Schaltung (10) verbunden ist.
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