本發(fā)明涉及一種電池單元，該電池單元包括至少一個電極組件，所述至少一個電極組件包含借助于隔板層而彼此分離的陽極和陰極。電池單元還包括用于檢測電極組件中的缺陷的至少一個傳感器元件。

背景技術(shù)：

可以借助于電池來存儲電能。電池將化學(xué)能改變成電能。特別地，已知的是可再充電電池，其可以充電和放電若干次。電池或電池系統(tǒng)包括串聯(lián)或并聯(lián)電氣連接的若干電池單元。

特別地，鋰離子電池單元被用在可再充電電池或電池系統(tǒng)中。鋰離子電池單元具有相對高的能量密度。鋰離子電池單元例如用在機動車輛中，特別是在電動車輛（ev）中、混合電動車輛（hev）中以及插入式混合車輛（phev）中。鋰離子電池單元可以包括一個或多個電極組件。

電極組件具有稱為陰極的正電極和稱為陽極的負(fù)電極。陽極和陰極借助于隔板而彼此分離。電池單元的電極形成為類似于箔并且在插入隔板的情況下纏繞以形成電極輥（roll），其還稱為凝膠卷?？商鎿Q地，電極可以是層狀的，以形成電極堆疊。

電極和隔板被通常處于液態(tài)或固態(tài)中的電解質(zhì)所圍繞。電極組件的電極連接到電池單元的端子。電池單元可以借助于端子充電和放電。

陰極和陽極各自包括在其上應(yīng)用有源材料的集流器。陰極的集流器典型地由鋁制成，并且陽極的集流器典型地由銅制成。用于陰極的有源材料例如是金屬氧化物。用于陽極的有源材料例如是石墨烯或硅。在陽極的有源材料中，設(shè)置鋰原子。

在放電過程中，電子在外部電路中從陽極流到陰極，并且鋰離子在電池單元內(nèi)從陽極移動到陰極。在電池單元的充電過程中，鋰離子從陰極移動到陽極。由此，鋰離子被可逆地存儲回到陽極的有源材料中。

對于電池單元的安全操作，必要的是監(jiān)控電池單元的技術(shù)參數(shù)。所述參數(shù)尤其包括應(yīng)用于端子的電壓、流過電池單元的電流和電池單元的溫度。為了確定參數(shù)，在電池單元內(nèi)提供對應(yīng)傳感器。

在電池單元內(nèi)存在局部短路的情況下，可能發(fā)生熱失控，其可能損壞電池單元。因此，必要的是在損壞電池單元之前提前檢測這樣的短路。這樣的短路可以源自于例如枝晶的生長或者電極之間傳導(dǎo)顆粒。

文檔de102012209397a1公開了一種具有內(nèi)部壓力傳感器的電池單元，該內(nèi)部壓力傳感器被設(shè)計為膜并且位于電極線圈和電池單元的外殼之間。傳感器具有電阻、電容、壓阻和壓電功能元件。電極端子可以充當(dāng)信號接口。

文檔wo2012/097956a1a1公開了一種具有電極部件和若干傳感器的電池單元。尤其使用傳感器以測量電池單元的溫度。在矩陣狀布置中對準(zhǔn)傳感器。

santosh等人的文檔journalofpowersources,260,43-49(2014),"in-situtemperaturemeasurementinlithiumionbatterybytransferableflexiblethinfilmthermocouples"描述了用于局部測量電池單元內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，特別地用于溫度測量的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種電池單元，該電池單元包括至少一個電極組件，所述至少一個電極組件包含借助于隔板層而彼此分離的陽極和陰極，以及用于檢測電極組件中的缺陷的至少一個傳感器元件。這樣的缺陷特別地是在電池單元內(nèi)陽極和陰極之間的局部短路。所述局部短路產(chǎn)生若干效果，特別地短路周圍的局部區(qū)域中的溫度上升。

根據(jù)本發(fā)明，至少一個傳感器元件至少部分地集成在隔板層中。因而，傳感器元件被直接放置在陽極和陰極之間并且因此非常接近缺陷。傳感器元件例如可以插入到隔板層的材料中。因而，傳感器元件完全被隔板層的材料所圍繞。傳感器元件還可以布置成使得傳感器元件的部分在隔板層的材料之上突起。因而，僅小部分的傳感器元件被隔板層的材料所圍繞。

根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展，在矩陣狀傳感器布置中對準(zhǔn)多個傳感器元件。這意味著，若干傳感器元件布置在電池單元中并且每一個單個傳感器元件可以檢測與其緊密靠近的缺陷。因而，電池單元內(nèi)的局部測量是可能的，并且可以局部化所檢測的缺陷。

根據(jù)本發(fā)明的有利實施例，用于評估從傳感器元件所接收的測量數(shù)據(jù)的評估部件布置在隔板層上。所述評估部件可以包括邏輯或電子電路。評估部件從單個傳感器元件接收測量值并且執(zhí)行預(yù)處理。因而，可以針對似然性而檢查所接收的測量值，并且傳送給全局控制部件的數(shù)據(jù)量可以減少。

優(yōu)選地，至少一個傳感器元件是感測電極組件中的溫度的熱傳感器。當(dāng)這樣的熱學(xué)傳感器檢測到溫度的局部上升時，這可以是在傳感器元件附近的缺陷（特別是短路）的指示。

可替換地，至少一個傳感器元件是感測電極組件中的電場的電容傳感器。特別地，電容傳感器包括布置在隔板層的相鄰側(cè)上的兩個電極板。因而，隔板層表示電容器內(nèi)的電介質(zhì)并且是傳感器元件的部分。因而，電極板可以在隔板層之上突起并且電介質(zhì)集成在隔板層中。在沒有缺陷的情況下，近似均勻的電場存在于電極板之間，并且恒定電容是可測量的。在傳感器元件附近具有缺陷的情況下，電場變得非均勻并且電容改變。當(dāng)這樣的電容傳感器檢測到電容的局部改變時，這可以是傳感器元件附近的缺陷（特別是短路）的指示。

可替換地，至少一個傳感器元件是感測電極組件中的力的壓電傳感器。壓電傳感器可以完全集成在隔板層的材料中或者可以在隔板層之上突起。當(dāng)這樣的壓電傳感器檢測到壓力或力時，這可以是缺陷的指示，特別是陽極或陰極的有源材料的膨脹的指示。例如，這可以是在傳感器元件附近的局部生長的枝晶。

根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展，用于產(chǎn)生電極組件中的缺陷的至少一個致動器元件至少部分地集成在隔板層中。因而，致動器元件被直接放置在陽極和陰極之間。致動器元件可以例如插入到隔板層的材料中。因而，致動器元件完全被隔板層的材料所圍繞。致動器元件還可以布置成使得致動器元件的部分在隔板層的材料之上突起。因而，僅小部分的致動器元件被隔板層的材料所圍繞。具有這樣的致動器元件的電池單元特別地可使用在測試實驗室中以用于測試提供在電極組件中的傳感器元件。

根據(jù)本發(fā)明的有利實施例，在矩陣狀致動器布置中對準(zhǔn)多個致動器元件。這意味著，若干致動器元件布置在電池單元中并且每一個單個致動器元件可以產(chǎn)生局部缺陷。因而，測試電池單元內(nèi)的局部傳感器元件是可能的。

優(yōu)選地，至少一個致動器元件是產(chǎn)生電極組件內(nèi)的短接的晶體管致動器。晶體管致動器可以幾乎完全集成在隔板層的材料中，其中電極區(qū)域延伸到隔板層的相鄰表面。當(dāng)晶體管致動器被激活時，晶體管致動器表示局部短路。

可替換地，至少一個致動器元件是產(chǎn)生電極組件內(nèi)的力的壓電致動器。壓電致動器可以完全集成在隔板層的材料中或者可以在隔板層之上突起。這樣的壓電致動器可以在陽極或陰極的有源材料上產(chǎn)生局部壓力或局部力。例如，這可以模仿局部生長的枝晶。

根據(jù)本發(fā)明的電池單元有利地可使用在電動車輛（ev）中、混合電動車輛（hev）中、插入式混合車輛（phev）中、或者測試或研發(fā)實驗室中。

本發(fā)明的優(yōu)點

根據(jù)本發(fā)明的電池單元準(zhǔn)許局部測量電池單元內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，特別是溫度、電場或力，以用于檢測電池單元的電極組件中的缺陷。特別地，當(dāng)使用矩陣狀傳感器布置時，電池單元內(nèi)的局部溶解的測量是可能的，并且可以局部化所檢測的缺陷。通過將傳感器元件集成到隔板層中，傳感器元件不要求電池單元內(nèi)的附加空間。當(dāng)隔板的材料可用作傳感器元件的部分時，用于傳感器元件的附加所需材料的量還被減少。此外，傳感器元件被直接放置在陽極和陰極之間并且因此非常接近要檢測的缺陷。

致動器元件準(zhǔn)許產(chǎn)生電極組件中的缺陷以作為用于測試所提供的傳感器元件的手段。根據(jù)所提供的傳感器元件的種類，可以產(chǎn)生不同種類的缺陷。因而，包括致動器元件的電池單元特別地可使用在測試實驗室中以用于測試提供在電池單元的電極組件中的傳感器元件。通過將致動器元件集成到隔板層中，致動器元件不要求電池單元內(nèi)的附加空間。特別地，當(dāng)使用矩陣狀致動器布置時，電池單元內(nèi)的局部溶解產(chǎn)生的缺陷是可能的并且可以測試所選擇的傳感器元件。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明的前述實施例以及其附加實施例，應(yīng)當(dāng)參照結(jié)合附圖的以下實施例的描述，附圖示出：

圖1電池單元處的示意性視圖，

圖2傳感器布置處的示意性視圖，

圖3熱傳感器處的示意性截面視圖，

圖4電容傳感器處的示意性截面視圖，

圖5壓電傳感器處的示意性截面視圖，

圖6晶體管致動器處的示意性截面視圖，以及

圖7壓電致動器處的示意性截面視圖。

在此之后，將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。附圖僅提供本發(fā)明的示意性視圖。遍及附圖，相同參考標(biāo)號是指對應(yīng)部分、元件或組件，除非另外指示。

具體實施方式

圖1示出了電池單元2處的示意性視圖。電池單元2包含外殼3，其具有例如棱形或柱形形狀。電池單元2還包含電極組件10，其布置在外殼3內(nèi)。電極組件10包含陽極11、陰極12以及布置在陽極11與陰極12之間的隔板層18。此外，電池單元2包含負(fù)端子15和正端子16。端子15,16用來使電池單元2充電和放電，并且安裝在外殼3上。

當(dāng)前，電極組件10成形為凝膠卷。這意味著，電極組件10的陽極11和陰極12是圍繞軸線纏繞的平坦箔。同樣是平坦箔的隔板層18圍繞相同軸線纏繞在陽極11和陰極12之間。隔板層18由電氣絕緣材料制成。

電極組件10也可以具有例如袋狀類型。這意味著，電極組件10的陽極11和陰極12由可替換地堆疊以形成堆或堆疊的若干平坦箔構(gòu)成。隔板層18堆疊在陽極11的箔和陰極12的箔之間。由電氣絕緣材料制成的包狀物或袋狀物圍繞電極組件10，使得電極組件10電氣絕緣。

陽極11包含形成為平坦箔的陽極有源材料21和形成為平坦箔的陽極集流器23。陽極有源材料21和陽極集流器23附連到彼此。陽極集流器23導(dǎo)電并且由金屬制成，特別地由銅制成。陽極集流器23電氣連接到電池單元2的負(fù)端子15。

陰極12包含形成為平坦箔的陰極有源材料22和形成為平坦箔的陰極集流器24。陰極有源材料22和陰極集流器24附連到彼此。陰極集流器24導(dǎo)電并且由金屬制成，特別地由鋁制成。陰極集流器24電氣連接到電池單元2的正端子16。

沒有在圖1中示出的傳感器元件30集成在電極組件10的隔板層18中。傳感器元件30用來檢測電極組件10中的缺陷。當(dāng)前，在矩陣狀傳感器布置32中對準(zhǔn)傳感器元件30。在圖2中，給出了包含多個傳感器元件30的傳感器布置32處的示意性視圖。

傳感器布置32包括其中布置單個傳感器元件30的若干行和列。評估部件40也布置在隔板層18上。評估部件40包括邏輯或電子電路并且從傳感器元件30接收測量值。評估部件40檢查所接收的測量值。評估部件40將所述測量值處理成測量數(shù)據(jù)，并且將所述測量數(shù)據(jù)傳送給此處沒有示出的控制部件。

圖3示出了作為熱傳感器34的傳感器元件30處的示意性截面視圖。熱傳感器34用來感測電極組件10內(nèi)的溫度。熱傳感器34集成到隔板層18中。熱傳感器34被延伸到隔板層18的表面的封裝物42所圍繞。測量熱傳感器34的溫度，并且由評估部件40處理對應(yīng)測量數(shù)據(jù)。

圖4示出了作為電容傳感器35的傳感器元件30處的示意性截面視圖。電容傳感器35包括布置在隔板層18的相鄰側(cè)上的兩個電極板36。隔板層18表示電容傳感器35內(nèi)的電介質(zhì)。電極板36在隔板層18的表面之上突起。電極板36各自被延伸在隔板層18的表面之上的封裝物42所圍繞。

在電容傳感器35的電極板36之間建立近似均勻的電場37。在電容傳感器35附近存在短路的情況下，電場37變得非均勻并且電容傳感器35的電容改變。測量電容的所述改變并且由評估部件40處理對應(yīng)測量數(shù)據(jù)。

圖5示出了作為壓電傳感器38的傳感器元件30處的示意性截面視圖。壓電傳感器38用來感測電極組件10中的力或壓力。當(dāng)前，壓電傳感器38完全集成在隔板層18的材料中?？商鎿Q地，壓電傳感器38可以在隔板層18的表面之上突起或者突起到該表面。當(dāng)壓電傳感器38檢測到壓力或力時，壓電傳感器38產(chǎn)生評估部件40作為測量值而接收的電壓。

在圖6中，給出了通過電極組件10的致動器元件50處的示意性截面視圖。由此，致動器元件50是晶體管致動器54，特別是場效應(yīng)晶體管（fet）。晶體管致動器54用來產(chǎn)生電極組件10中的缺陷，特別是陽極11和陰極12之間的短路，以用于測試目的。

當(dāng)前，晶體管致動器54集成到電極組件10的隔板層18中，使得晶體管致動器54的表面與隔板層18的相鄰表面對準(zhǔn)。因而，致動器元件50的表面，特別是晶體管致動器54的電極區(qū)域，與陽極有源材料21并且與陰極有源材料22電氣接觸。

陽極集流器23被放置在與隔板層18相對的陽極有源材料21上。陽極集流器23和陽極有源材料21形成電極組件10的陽極11。陰極集流器24被放置在與隔板層18相對的陰極有源材料22上。陰極集流器24和陰極有源材料22形成電極組件10的陰極12。

當(dāng)前，晶體管致動器54如已經(jīng)提及的那樣是具有柵極g、漏極d和源極s的場效應(yīng)晶體管（fet）。漏極d與陰極有源材料22電接觸，并且源極s與陽極有源材料21電接觸。在無源狀態(tài)中，這意味著，在柵極g處沒有控制電壓的情況下，晶體管致動器54表示漏極d和源極s之間的相對高的電阻。

當(dāng)向柵極g應(yīng)用控制電壓時，晶體管致動器54被激活并且表示漏極d和源極s之間的相對低的電阻，相應(yīng)的是短路。因而，晶體管致動器54操作陽極有源材料21和陰極有源材料22之間的短路。

圖7示出了作為壓電致動器58的致動器元件50處的示意性截面視圖。壓電致動器58被放置在陽極11和陰極12之間，并且用來產(chǎn)生電極組件10中的缺陷，特別是陽極11和陰極12之間的力或壓力，以用于測試目的。

當(dāng)前，壓電致動器58完全集成在隔板層18的材料中。可替換地，壓電致動器58可以在隔板層18的表面之上突起或者突起到該表面。當(dāng)向壓電致動器58應(yīng)用電壓時，壓電致動器58在與隔板層18的表面垂直的方向上伸長。因而，壓電致動器58在陽極11上以及在陰極12上產(chǎn)生局部壓力或局部力。

類似于在矩陣狀傳感器布置32中對準(zhǔn)的傳感器元件30，可以在矩陣狀致動器布置中對準(zhǔn)多個致動器元件50。矩陣狀致動器布置內(nèi)的致動器元件50可以全部具有相同類型，特別是壓電致動器58或晶體管致動器54。矩陣狀致動器布置還可以包括不同類型的致動器元件50，例如壓電致動器58和晶體管致動器54。

出于解釋的目的，已經(jīng)參照具體實施例描述了前面的描述。然而，以上說明性討論不意圖為窮舉性的或者將本發(fā)明限于所公開的精確形式。鑒于以上教導(dǎo)以及隨附權(quán)利要求所涵蓋的教導(dǎo)，許多修改和變形是可能的。選擇并且描述實施例，以便解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，以由此使得本領(lǐng)域其他技術(shù)人員能夠利用本發(fā)明并且具有如適于設(shè)想到的特定使用的各種修改的各種實施例。