(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガルバニ素子（４１０）のためのカバーフィルム（４００）において、
前記カバーフィルム（４００）は、当該カバーフィルム（４００）のひずみ状態を検出するための少なくとも１つの力センサ（４２０，４３０）を有し、
前記カバーフィルム（４００）は、目標破壊箇所を有しており、
前記目標破壊箇所の領域に、前記力センサ（４２０，４３０）の電気的接続のための電気的コンタクト部（４５０；５００）が配置されており、
前記カバーフィルム（４００）は、前記目標破壊箇所において前記電気的コンタクト部（４５０；５００）が切断されることによって、前記ガルバニ素子（４１０）の危険状態に関する警告信号を、接続されているセキュリティシステムへと出力する、
ことを特徴とするカバーフィルム（４００）。
【請求項２】
前記力センサ（４２０，４３０）は、ひずみゲージを有する、
ことを特徴とする請求項１記載のカバーフィルム（４００）。
【請求項３】
前記力センサ（４２０，４３０）は、前記カバーフィルム（４００）の表面に配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のカバーフィルム（４００）。
【請求項４】
前記力センサ（４２０，４３０）は、前記カバーフィルム（４００）の中央領域に配置されており、別の力センサ（４２０，４３０）が、前記カバーフィルム（４００）の縁部領域に配置されており、
前記縁部領域は、前記ガルバニ素子（４１０）の少なくとも１つの電気的コンタクト部（４４０，４４５）のためのブッシング領域として構成されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のカバーフィルム（４００）。
【請求項５】
前記カバーフィルム（４００）は、前記ガルバニ素子（４１０）のカバーのためのフレキシブルフィルム（６００）を含む、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のカバーフィルム（４００）。
【請求項６】
化学的エネルギを電気的エネルギに変換するための電気化学的蓄電装置（１００）において、
ガルバニ素子（４１０）と、
請求項１から５のいずれか一項記載のカバーフィルム（４００）であって、当該カバーフィルム（４００）は、前記ガルバニ素子（４１０）を包囲しており、当該カバーフィルム（４００）のひずみ状態が、前記ガルバニ素子（４１０）の状態パラメータを表している、カバーフィルム（４００）と、
を有することを特徴とする電気化学的蓄電装置（１００）。
【請求項７】
前記ガルバニ素子（４１０）の電気的コンタクト部（４５０；５００）と、前記力センサ（４２０，４３０）の電気的端子とが、導電的に接続されている、
ことを特徴とする請求項６記載の電気化学的蓄電装置（１００）。
【請求項８】
前記電気化学的蓄電装置（１００）は、少なくとも１つの別のセンサを有し、
前記ガルバニ素子（４１０）の前記電気的コンタクト部と、前記少なくとも１つの別のセンサの電気的端子とが、導電的に接続されている、
ことを特徴とする請求項７記載の電気化学的蓄電装置（１００）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの別のセンサは、温度センサ、ＰＨ値センサ、及び／又は、半電池電圧測定センサである、
ことを特徴とする請求項８記載の電気化学的蓄電装置（１００）。
【請求項１０】
化学的エネルギを電気的エネルギに変換するための電気化学的蓄電装置システム（２００）において、
積層体の形態で配置されている、複数の、請求項６から９のいずれか一項記載の電気化学的蓄電装置（１００）と、
前記複数の電気化学的蓄電装置（１００）の各々の位置を、前記積層体において固定するためのフレーム装置（２１０）と、
を有することを特徴とする電気化学的蓄電装置システム（２００）。
【請求項１１】
化学的エネルギを電気的エネルギに変換するための電気化学的蓄電装置（１００）の状態パラメータを算出するための方法（９００）であって、
前記電気化学的蓄電装置（１００）は、カバーフィルム（４００）によって包囲されたガルバニ素子（４１０）を有し、
前記カバーフィルム（４００）は、当該カバーフィルム（４００）のひずみ状態を検出するための少なくとも１つの力センサ（４２０，４３０）を有し、
前記カバーフィルム（４００）は、目標破壊箇所を有しており、
前記目標破壊箇所の領域に、前記力センサ（４２０，４３０）の電気的接続のための電気的コンタクト部（４５０；５００）が配置されている、
方法において、
前記カバーフィルム（４００）のひずみ状態を検出するステップ（９１０）と、
前記ひずみ状態に基づいて、前記状態パラメータを算出するステップ（９２０）と、
を有し、
前記目標破壊箇所において前記電気的コンタクト部（４５０；５００）が切断されたときに、前記ガルバニ素子（４１０）の危険状態に関する警告信号を、前記カバーフィルム（４００）から、当該カバーフィルム（４００）に接続されているセキュリティシステムへと出力する、
ことを特徴とする方法（９００）。
【請求項１２】
前記検出するステップ（９１０）において、前記カバーフィルム（４００）の主平面の中央領域において第１ひずみ状態を検出し、及び／又は、前記カバーフィルム（４００）の主平面の縁部領域において第２ひずみ状態を検出し、
前記算出するステップ（９２０）において、前記第１ひずみ状態に基づいて第１状態パラメータを算出し、及び／又は、前記第２ひずみ状態に基づいて第２状態パラメータを算出し、
前記第１状態パラメータは、前記電気化学的蓄電装置（１００）の充電状態を表し、前記第２状態パラメータは、前記電気化学的蓄電装置の経年劣化状態を表す、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法（９００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガルバニ素子のためのカバーフィルム、電気化学的蓄電装置、電気化学的蓄電装置システム、ガルバニ素子のカバーのためのフレキシブルフィルム、及び、電気化学的蓄電装置の状態パラメータを算出するための方法に関する。
【０００２】
代替的な駆動方式に対する需要の高まりとともに、電気駆動はますます関心の的として注目されている。ここでは現代の自動車駆動のための鍵となる技術として、リチウムイオン電池が開発されている。種々異なる構造又は電池形式のリチウムイオン電池が存在している。リチウムイオン電池の特別な形態として、いわゆるパウチ型電池（パウチ＝pouch）又はコーヒーバッグ型電池がある。パウチ型電池は、その名が示すように形状が固定的ではなく、パウチ型電池のセルコイルは、フレキシブルな「フィルムバッグ」の中に密閉されている。
【０００３】
しかしながら、現在使用されているフレキシブルなケーシングは、システム的に若干の課題を有している。例えば電池のシール接合部は、バッテリの全寿命期間中、密封しておかなければならない。このことは困難である。なぜなら電池は、還化中に「呼吸」する、つまり電池の厚さが充電状態に応じて変化するからである。さらには気圧変動と電池の呼吸とに基づき、電池内部と周囲環境との間には可変の圧力差が存在する。
【０００４】
さらに、例えば脱気として現れる経年劣化プロセスも、パウチ型電池の膨張を引き起こす可能性がある。これにより、重量に関する格別の利点と、空間的に非常に効率的に実施可能な積層と、熱を非常に良好に外部に放出可能にする大きなアスペクト比とを、起こりうるガス発生時の電池膨張に基づき、安全性の危険として見なすべきである。つまり損傷時、及び、損傷により電池内部で過圧が生じている場合には、一般的に電池のシール接合部が開いてしまうことがある。最悪のケースでは、電解質又は分解生成物のような可燃性ガスが外部に逃がれてしまい、状況によっては火災乃至爆発を引き起こす可能性がある。このような安全性が危険な状態を監視するためには、パウチ型電池のためのセンサが非常に重要である。
【０００５】
上記の技術背景を前にして本発明によれば、独立請求項に記載の、ガルバニ素子のためのカバーフィルムと、電気化学的蓄電装置と、電気化学的蓄電装置システムと、ガルバニ素子のカバーのためのフレキシブルフィルムと、電気化学的蓄電装置の状態パラメータを算出するための方法が提供される。
【０００６】
有利な実施形態は、各従属請求項と、以下の説明から明らかとなる。
【０００７】
パウチ型電池の物理的パラメータ、例えば機械的応力、ガス圧力、電池温度等を、測定技術によって検出するために構成されたフィルムが提案される。このためにフィルムは、特に力センサのようなセンサとして構成することができ、乃至、センサを有することができ、さらに、パウチ型電池のカバーの一部を形成することができるか、又は、パウチ型電池のカバーの外側又は内側に被着させることができる。検出される１つ又は複数の測定パラメータは、本発明の相応の方法において、例えば電池の充填状態乃至ＳＯＣ（State of Charge）を計算するため、及び／又は、電池の健康状態乃至ＳＯＨ（State of Health）を計算するために利用することができ、オプションとして付加的に、安全性に関連した電池の気密性をチェックするために参照することができる。
【０００８】
比較的敏感なパウチ型電池の圧力状態又は機械的変形を検出することにより、バッテリの充電状態、バッテリの健康状態、損傷の存在、例えば極端な圧力増加、変形、漏れの存在に関して直接の情報を供給することが可能である。例えば電池内部において所定のガス圧力を超過した場合には、例えばユーザ保護の観点から任意の時点でパウチ型電池を交換することが可能となる。本願で提案するアプローチによれば、バッテリを取り外した状態でも、パウチ型電池の内部圧力の測定値、乃至、ガス圧力の測定値を読み出すことができ、これによって電池をより安全にリサイクルすることが可能となる。本願で提案する技術概念に基づき、電池の機械的変形を外側で検出すれば、センサが電解質にさらされないので、センサを別途保護する必要がないという付加的な利点が得られる。これによって、このセンサのパッケージングを格段に簡単にすることが可能となる。さらに、センサとセンサの給電線とを、パウチ型電池の製造工程に直接組み込むことが可能となる。本発明によるセンサ乃至力センサは、構造高さが非常に低いことを特徴としているので、パウチ型電池における電池化学反応過程、乃至、外側のカバーの変形を妨げない。給電線を一緒に印刷することができるので、この特別な実施形態によるセンサは、従来のセンサの場合とは異なり追加的な接着工程を必要としない。圧力状態の検出により、バッテリ電池の迅速な充放電を制御することも可能である。本願で提案するカバーフィルムにおいて、ガス圧力センサとして力センサを使用する場合には、例えば剥離に基づいて起こりうるパウチ型電池の開封、すなわちガスの損失を伴う損傷を検出することもできる。
【０００９】
有利には、既存の層を機能的にすることによって、又は、機能的な追加のフィルムを取り付けることによって、又は、パウチ型電池のカバーの内側又は外側に印刷を施すことによって、パウチ型電池の機械的応力、圧力若しくは力、ＰＨ値、半電池電圧、及び／又は、温度影響を、効果的かつできるだけ低コストに測定することが可能である。測定は、例えばひずみゲージ（ＤＭＳ）を有することができる力センサによって実施することができる。パウチ型電池内の温度を測定する場合、より精確な測定結果のために、電池内で局所的に測定を行うこと、乃至、分割されたフィルムアレイを使用して複数の測定を行うことができる。ガルバニ素子のためのカバーフィルムは、カバーフィルムのひずみ状態を検出するための少なくとも１つの力センサを有することを特徴としている。
【００１０】
カバーフィルムは、弾性かつ電気絶縁性の材料から、例えば適当なプラスチックから形成することができる。カバーフィルムは、例えば矩形のポケットとして構成することができ、このポケットは、ガルバニ素子をカバーフィルムに挿入するために１つの側が開いている。ガルバニ素子を挿入した後、ガルバニ素子がカバーフィルムによって流体密に、特に気密に包囲されるように、ポケットの開いた側を封止することができる。力センサは、ひずみによる変形を検出するための力変換器又は測定装置であると理解することができる。力センサは、ケーシングフィルムのように弾性変形可能に構成することができ、例えば、力センサの測定範囲に作用する引張力を検出するように構成することができる。力センサは、カバーフィルムの少なくとも１つの部分領域と固定的に接続させることができる。固定的に接続されていることにより、力センサは、カバーフィルムのひずみと同じようにひずむことができるので、ひずみと結びついた、検出された、力センサに加わる引張力に基づいて、ひずみの程度、ひいてはカバーフィルムのひずみ状態を推定することができる。カバーフィルムのひずみは、カバーフィルムによって包囲されているガルバニ素子の電解質中における化学的及び／又は物理的プロセスに起因するものとみなすことができる。例えば、電極におけるリチウムの堆積によってひずみが引き起こされる可能性があり、これに相応して、ＳＯＣ検出によってガルバニ素子の充電状態を決定することができる。若しくは、経年劣化プロセスによって電解質中にガスが発生する可能性があり、これによってカバーフィルムは膨張し、引き延ばされる。なぜならこのガスは、カバーフィルムの流体密性により、外部へ逃れることができないからである。
【００１１】
１つの実施形態によれば、力センサは、ひずみゲージを有することができる。ひずみゲージは、変形が小さい場合でも自身の電気抵抗を変化させることを特徴としている。従って有利には、カバーフィルムのひずみを、低コストに、特に確実かつ迅速に検出することができる。
【００１２】
特に、力センサを、カバーフィルムの表面に配置することができる。この場合、力センサは、ガルバニ素子のための、カバーフィルムによって形成されたポケットの外側又は内側に配置することができる。従って、力センサの位置を、仕様に即した条件に容易に適合させることができる。例えばカバーフィルムの内側に配置すれば、力センサを損傷から保護することができる。これに対して、力センサをカバーフィルムの外側に配置すると、電解質とセンサとの接触を回避することができるので、電解質の発火の可能性を阻止することができる。電池の化学的性質に影響を与えない材料だけしか電池に使用してはいけない、という事実に注意を払う必要がないので、材料をより自由に選択できるという利点がある。
【００１３】
１つの実施形態によれば、力センサは、カバーフィルムの中央領域に配置することができる。この場合における「中央領域」とは、上から見た平面の中央領域であり、すなわち、最大面積を有する平面の中央の領域を意味する。力センサは、必ずしもカバーフィルムに接して配置する必要はなく、内部領域において、カバーフィルムに対する法線方向に配置することもできる。択一的又は付加的に、カバーフィルムの縁部領域に、さらなる別の力センサを配置することができる。この場合における縁部領域とは、カバーフィルムを上から見た場合に、中央領域を取り囲んでいる領域を意味する。縁部領域は、ガルバニ素子の少なくとも１つの電気的コンタクト部のためのブッシング領域として構成することができる。このようにて、つまり力センサ乃至別の力センサを適切に配置することによって、ガルバニ素子の種々異なる状態に関する関連情報を簡単に得ることができる。例えばガルバニ素子が、互いに密集して配置された複数のガルバニ素子を有するバッテリパックの一部である場合には、力センサをカバーフィルムの主平面の中央領域に配置することによって、いわゆる電池の呼吸を検出することができ、ひいては、交互に生じるカバーフィルムのひずみと弛緩とを検出することができる。これによって、ガルバニ素子の充電状態を推定することが可能となる。
【００１４】
これに対して、別の力センサを縁部領域に、例えばカバーフィルムによって形成されたポケットの挿入開口部の近傍に配置することによって、ガルバニ要素の経年劣化状態、乃至、健康状態を測定することが可能となる。というのは、縁部領域では、隣接する電池同士の圧力がカバーフィルムに影響を与えないので、検出されたひずみは、電解質の経年劣化に起因する脱気プロセスを表すことができるからである。従って、複数の同一のセンサを、ガルバニ要素を包囲しているカバーフィルムの複数の異なる位置に配置するだけで、ガルバニ素子の複数の異なる状態を監視することができる。
【００１５】
さらにカバーフィルムは、目標破壊箇所を有することができる。目標破壊箇所の領域には、力センサの電気的接続のための電気的コンタクト部を配置することができる。力センサをカバーフィルムの内側に配置するか又は外側に配置するかに応じて、目標破壊箇所は、センサを内側から外側へと電気的にコンタクトさせるためのブッシング領域を形成することができるか、又は、電気的コンタクト部を目標破壊箇所の上を超えて外側へと案内することができる。両方の場合において、カバーフィルムのひずみに起因した目標破壊箇所の破裂は、コンタクト部の断裂を引き起こす。例えば、目標破壊箇所は、ポケットを形成しているカバーフィルムのガルバニ素子のための挿入開口部の領域に配置することができる。この挿入開口部を通って、例えば、ガルバニ素子の電気的接続のためのさらなる別のコンタクト部を挿入することも可能である。この実施形態においては、例えば、目標破壊箇所においてセンサのコンタクトが切断されることによって、ガルバニ素子の危険状態に関する警告信号を、接続されているセキュリティシステムへと出力することができる。
【００１６】
化学的エネルギを電気的エネルギに変換するための電気化学的蓄電装置は、
・ガルバニ素子と、
・上に説明した実施形態のうちの１つに基づくカバーフィルムであって、当該カバーフィルムは、ガルバニ素子を包囲しており、当該カバーフィルムのひずみ状態が、ガルバニ素子の状態パラメータを表している、カバーフィルムと、
を有することを特徴としている。
【００１７】
ガルバニ素子の電気的接続のために、電気化学的蓄電装置はさらに２つのコンタクト部を有し、これらのうちの一方を陽極として構成し、他方を陰極として構成することができる。ガルバニ素子は、例えばリチウムイオン電池とすることができる。ガルバニ素子は、いわゆるコーヒーバッグ型電池、又は、パウチ型電池（pouch＝パウチ）の一部とすることができ、この電池は、形状が固定的でないこと、つまり、カバーフィルムによってフレキシブルな外被を有することを特徴とする。この実施形態では、電池の重量を低減し、電池をより省スペースに使用することができる。しかしながら、カバーフィルムの応力が大きいので、特に高信頼性の損傷監視が必要であり、これを本願で提案する着想によって保証すべきである。カバーフィルムは、既に説明したようにポケットとして構成することができ、このポケットの中には、電気化学的蓄電装置の製造工程時に、電解質を有するセルコイルを挿入することができ、ポケットの開口部は、その後溶接するか、又は、他の方法によって流体密に封止することができる。陽極及び陰極は、例えばこのような封止接合部においてカバーフィルムを突き破り、セルコイルの電気的接続を保証する。カバーフィルムのひずみ状態によって表される状態パラメータは、電気化学的蓄電装置の充電状態に関する値、又は、電気化学的蓄電装置の経年劣化乃至健康状態に関する値とすることができる。
【００１８】
電気化学的蓄電装置では、ガルバニ素子の電気的コンタクト部と、力センサの電気的端子とを、導電的に接続することができる。さらには、ガルバニ素子のさらなる別の電気的コンタクト部と、力センサのさらなる別の電気的端子とを、導電的に接続することができる。有利には、ガルバニ素子の１つ又は複数のコンタクト部を介して、動作電圧又は一般的に電気的エネルギを力センサに供給することができる。付加的又は択一的に、ガルバニ素子の１つ又は複数のコンタクト部を介して、情報又はデータを力センサに伝達するか、又は、力センサから送信することができる。
【００１９】
電気化学的蓄電装置はさらに、少なくとも１つの別のセンサ、特に温度センサ、ＰＨ値センサ、半電池電圧測定センサ、又は、別の力センサ有することもできる。この場合、ガルバニ素子の電気的コンタクト部と、少なくとも１つの別のセンサの電気的端子とを、導電的に接続することができる。このようにしてこの別のセンサを、電気化学的蓄電装置、例えばパウチ型電池へと組み込むことが可能である。少なくとも１つのセンサは、電池電圧によって給電することができる。少なくとも１つのセンサの信号通信は、電力線を介して行うことができる。１つの実施形態によれば、多種類の測定値を検出可能にすることができ、例えば冗長値を用いて測定結果を簡単に検証することができる。
【００２０】
化学的エネルギを電気的エネルギに変換するための電気化学的蓄電装置システムは、
・積層体の形態で配置されている、複数の、上に説明した電気化学的蓄電装置と、
・前記複数の電気化学的蓄電装置の各々の位置を、積層体において固定するためのフレーム装置と、
を有することを特徴としている。
【００２１】
電気化学的蓄電装置システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド車を駆動するための蓄電池として使用することができる。このために、積層体状に配置された複数の電気化学的蓄電装置システムを、フレーム装置を用いて統合して１つのバッテリパックにすることができる。バッテリパックは、個々の電気化学的蓄電装置の各カバーフィルムの主平面同士が互いに密接してパッキングされるように、かつ、電気化学的蓄電装置の全てのコンタクト部が同一の方向を向いてフレーム装置から突出するように構成することができ、これによって、電気化学的蓄電装置で形成された電圧を簡単に取り出すことが可能となる。
【００２２】
本発明はさらに、ガルバニ素子のカバーのための、力センサを有するフレキシブルフィルムを提供する。フレキシブルフィルムは、表面に力センサを有することができる。択一的に、力センサを、フレキシブルフィルムの中に密閉することも可能である。力センサを有するフレキシブルフィルムは、例えば、個別的な製造方法によって製造して、上に説明したカバーフィルムを完成するために、当該カバーフィルムの適切な位置に固定、例えば接着することができる。フレキシブルフィルムは、力センサのための追加的な保護を提供し、カバーフィルムの表面と力センサとの固定的な接続を改善することができる。
【００２３】
化学的エネルギを電気的エネルギに変換するための電気化学的蓄電装置の状態パラメータを算出するための方法であって、前記電気化学的蓄電装置は、カバーフィルムによって包囲されたガルバニ素子を有する、方法は、
・カバーフィルムのひずみ状態を検出するステップと、
・ひずみ状態に基づいて、状態パラメータを算出するステップと、
を有する。
【００２４】
方法の個々の又は全てのステップは、例えば、車両のＣＡＮバスを介して電気化学的蓄電装置に接続可能な制御ユニットによって実施することができる。状態パラメータを算出するために、例えば適切なアルゴリズムを使用することができる。制御装置は、相応の装置において本発明の方法の各ステップを実行乃至実施するように構成することができる。また本発明を、制御装置の形態で実施することによっても、本発明の基礎となる課題を、迅速かつ効率的に解決することができる。
【００２５】
本願における制御装置は、センサ信号を処理し、センサ信号に基づいて制御信号及び／又はデータ信号を出力する電気的な装置であると理解することができる。制御ユニットは、ハードウェア及び／又はソフトウェアによって構成可能なインターフェースを有することができる。ハードウェアによって構成する場合には、インターフェースは、例えば、制御装置の種々機能を含んだ、いわゆるシステムＡＳＩＣの一部とすることができる。しかしながら、インターフェースを専用の集積回路とすることも、又は、少なくとも部分的にディスクリート部品から構成することも可能である。ソフトウェアによって構成する場合には、インターフェースは、例えば他のソフトウェアモジュールと共にマイクロコントローラ上に存在するソフトウェアモジュールとすることができる。
【００２６】
方法の１つの実施形態によれば、前記検出するステップにおいて、カバーフィルムの主平面の中央領域において第１ひずみ状態を検出し、及び／又は、カバーフィルムの主平面の縁部領域において第２ひずみ状態を検出することができる。相応にして、前記算出するステップにおいて、第１ひずみ状態に基づいて第１状態パラメータを算出し、及び／又は、第２ひずみ状態に基づいて第２状態パラメータを算出することができ、第１状態パラメータは、電気化学的蓄電装置の充電状態を表すことができ、第２状態パラメータは、電気化学的蓄電装置の経年劣化状態を表すことができる。電気化学的蓄電装置の複数の異なる位置で同時に状態を検出することによって、カバーフィルムのひずみが原因の誤認識を回避することができる。検出した測定値をそれぞれの状態に対応付けることが完了した後は、適切な処置を講じることが可能となる。このようにして、測定値が例えば電気化学的蓄電装置の充電状態を表す場合には、実際に存在する圧力状態を推定することができ、例えば電気化学的蓄電装置のより迅速な充放電を開始することができる。充電状態を検出するために使用される力センサは、例えばカバーフィルムの主平面の中央に配置することができ、この場所で、力センサは、バッテリパックの全ての電池の「呼吸」と相互作用して、有意なひずみ測定値を検出することができる。他方で、測定値が電気化学的蓄電装置の経年劣化状態乃至健康状態を表す場合には、対応する力センサは、電池の呼吸による影響を受けない縁部領域に配置されているので、脱気プロセスに基づき、次の警告において電気化学的蓄電装置を交換すべきであることを識別することができる。
【００２７】
半導体メモリのような機械読み出し可能な担体、ハードディスク、又は、光学メモリに保存することができるプログラムコードであって、かつ、コンピュータ上又は装置上で実施された場合に、上に説明した実施形態に基づく方法を実施するために使用されるプログラムコードを有する、コンピュータプログラム製品も、有利である。
【００２８】
以下、本発明を、添付した図面に基づいて例示的により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、パウチ型電池の種々異なる実施形態を示す図である。
【図２】電気化学的蓄電装置システムの斜視図である。
【図３】図２の電気化学的蓄電装置のフレーム部材の斜視図である。
【図４Ａ】本発明の１つの実施例に基づく、カバーフィルムを有する電気化学的蓄電装置の原理図である。
【図４Ｂ】図４Ａの電気化学的蓄電装置の一部の原理図である。
【図５】本発明の別の１つの実施例に基づく、カバーフィルムを有する電気化学的蓄電装置の一部の原理図である。
【図６】本発明の別の１つの実施例に基づく、カバーフィルムを有する電気化学的蓄電装置の一部の原理図である。
【図７】本発明の別の１つの実施例に基づく、カバーフィルムを有する電気化学的蓄電装置の一部の原理図である。
【図８】図８Ａ〜８Ｃは、本発明の複数の実施例に基づく、カバーフィルムを有する電気化学的蓄電装置の力センサの種々異なるコンタクト手段を示す原理図である。
【図９】本発明の１つの実施例に基づく、電気化学的蓄電装置の状態パラメータを算出するための方法を示すフローチャートである。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態に関する以下の記載では、異なる各図に図示した同様の機能を有する要素に対して同一又は類似の参照番号を使用しており、また、これらの要素に関する重複する説明は省略している。
【００３１】
図１Ａ〜１Ｃは、種々の実施形態による市販のパウチ型電池１００を図示している。図から見て取れるように、電池１００はいわゆるソフトパックとして構成されている。つまり剛性のケーシングは有しておらず、フレキシブルな外被又はカバーフィルムを有している。図１Ｃは、ガスの発生によって膨張したソフトパック１００を図示している。電池１００の経年劣化が限界に達すると、一般的にこのようなガスの発生が生じる。ガスの内部圧力によってソフトパックが破裂したり、有毒な電池構成成分が漏出したりする前に、電池１００を非活性化すべきである。
【００３２】
図２は、電気化学的蓄電装置システム２００の斜視図を示している。電気化学的蓄電装置システム２００は、図１Ａ〜Ｃに例示したようなパウチ型電池１００の形態の電気化学的蓄電装置を複数含んでいる。これらの電気化学的蓄電装置１００は、水平に置かれた積層体の形態で配置され、フレーム装置２１０によって各々の位置に固定される。パウチ型電池１００は、電気化学的蓄電装置システム２００の電気的接続のためのコンタクト部２２０のみがフレーム装置２１０の上端を超えて突出するように、フレーム装置２１０によって取り囲まれている。フレーム装置２１０は、底部領域において、電気化学的蓄電装置システム２００からの熱を排出するための排気チャネル２３０を有する。
【００３３】
図３は、別の斜視図に基づき、図２に示した電気化学的蓄電装置システムのフレーム装置のフレーム部材３００を図示している。フレーム部材３００は、別の同様のフレーム部材と一緒に、パウチ型電池をサンドイッチ状に取り囲むように構成されている。フレーム部材３００の内側寸法は、パウチ型電池の充放電によって引き起こされるいわゆる電池の呼吸を阻害しないために充分な大きさとなっている。ここで図示した実施例のフレーム部材３００は、図２のフレーム装置の中間部材として構成されており、既に説明した排気チャネル２３０のための開口部の他にもさらに、フレーム部材３００と、別のフレーム部材、又は、フレーム装置用の接続プレートとを接続するためのネジ通路３１０を含み、さらには、電気化学的蓄電装置システムを通る冷却流体を導くための冷却チャネル３２０のための通路開口と、バッテリパックを適切に封止するためのエラストマシール３３０と、フレーム部材３００によって取り囲まれたパウチ型電池の膨張のための自由な空間である凹部３４０とを含む。図３のフレーム部材３００の図示は、このような形式で構成された電気化学的蓄電装置システムにおいて、個々のパウチ型電池同士が各々の主平面で接触し、個々の電池のその時々の充電状態に応じて電池積層体全体の圧力が変化し、この圧力が、フレーム部材３００に対して横断方向に配向された力経路の中を通過することを示している。
【００３４】
図４Ａは、本発明の１つの実施例に基づく電気化学的蓄電装置１００の原理図を示す。電気化学的蓄電装置１００はパウチ型電池として構成されており、例えば図２の電気化学的蓄電装置システムのために使用することができる。電気化学的蓄電装置１００は、カバーフィルム４００と、ガルバニ素子４１０と、第１フィルムセンサ乃至力センサ４２０と、第２フィルムセンサ乃至力センサ４３０と、ガルバニ素子４１０の電気的接続のための第１電極４４０及び第２電極４４５とを含む。図４Ａに図示した実施例の電気化学的蓄電装置１００の場合、図の上方の電極４４０が陰極であり、図の下方の電極４４５が陽極である。既に説明したように、カバーフィルム４００はガルバニ素子４１０を包囲しているが、見やすくするために、ガルバニ素子４１０を取り囲むフレームとして図示している。
【００３５】
この場合、図面で観察できるカバーフィルム４００の領域は、カバーフィルムの縁部領域の端部を表している。ガルバニ素子４１０は、化学的エネルギから電気的エネルギを生成するためのセルコイルを有する。さらに、第２力センサ４３０に電圧を供給するための付加的コンタクト部４５０が示されている。第２力センサ４３０は、第１端子４６０を介して付加的コンタクト部４５０に接続されており、第２端子４７０を介して陽極４４５に接続されている。第１力センサ４２０の電源は、図４Ａには図示していない。例えば、第１力センサ４２０の電源は、観察できないカバーフィルムの内側に配置することができる。
【００３６】
図４Ａからは、第１力センサ４２０がカバーフィルム４００の中央領域に配置されている様子が見てとれる。この「中央領域」なる用語は、冒頭で説明したように、カバーフィルムを上から見た平面図における中央の領域を意味している。この平面図は、カバーフィルムの最大面積を有する平面を上から見た平面図である。つまり第１力センサ４２０は、積層された複数のパウチ型電池１００の力経路内に配置されている。この力経路は、図３に関連して説明されている。第１力センサ４２０は、電池積層体（図４Ａには図示せず）、すなわち複数のパウチ型電池１００からなる積層体の体積変化によって生じる力を測定する。この力は、例えば容量式、ピエゾ抵抗式、又は、抵抗式に検出することができ、抵抗式に検出する場合には、例えば２つの導電層を部分的に接続させる圧力に対して反応するタッチスクリーンが使用されるか、又は、分圧器が使用される。このようにして得られた測定値により、適切な評価を用いて、電気化学的蓄電装置１００の充電状態（ＳＯＣ）を算出することができる。第２力センサ４３０は、力経路の外側にて、カバーフィルム４００の縁部領域に配置されている。従って、第２力センサ４３０が配置されている場所では、電池１００のカバーフィルム４００は、積層体の他の電池１００によって阻害されることなく膨張することができる。この場所では、パウチ型電池１００のガスの内部圧力の影響を検出することができ、つまり、ガスの内部圧力によってカバーフィルム４００に生じるひずみを介して検出することができる。つまり、検出された測定値を適切に評価することによって、電気化学的蓄電装置１００の健康状態を検出することができる。図４Ａで示した実施形態では、第２力センサ４３０は、カバーフィルム４００の上に印刷されている。択一的に、力を検出するためのＭＥＭＳ素子を載置することも可能であり、特に、カバーフィルム４００の内側又は外側に載置することが可能である。第１力センサ４２０及び第２力センサ４３０では、それぞれ各センサにおいて使用されているひずみゲージ（ＳＧ）のひずみに基づいて検出が行われる。
【００３７】
原則的に、２つのフィルムセンサ４２０，４３０は、カバーフィルム４００の内側又は外側に載置することができる。この際、別の１つのフィルムセンサによって別個に、例えば局地的に又はアレイに亘って、温度測定を実施することができる。この温度測定は、例えば温度のみに応じて変化する抵抗によって抵抗式に実施することができる。電気化学的蓄電装置１００の図示しない実施形態によれば、第１力センサ４２０、第２力センサ４３０、又は、両方の力センサ４２０，４３０の端子４６０，４７０は、当該センサ４２０，４３０が内側に配置されている場合には、外側に向かって突出することができる。択一的に、端子４６０，４７０をパウチ型電池１００のカバーフィルム４００の内側にのみ配置することができ、またこれらの端子４６０，４７０を、このパウチ型電池１００の内側で、電気化学的蓄電装置１００の主電源線乃至電力線に接続させることができる。
【００３８】
もちろん、使用しているフィルムセンサ４２０，４３０の端子４６０，４７０を、パウチ型電池１００の上又は内側にも導くことが可能である。
【００３９】
図４Ｂは、別の原理図に基づいて、図４Ａの電気化学的蓄電装置１００の一部を示す。この詳細図は、図４Ａに図示した上述のパウチ型電池１００の図右側を図示しており、当該実施例において選択されている、第２力センサ２３０の形態のフィルムセンサのコンタクト例を説明するために使用されている。図４Ｂは、パウチ型電池１００の外側のカバー４００の断面図であり、既に図４Ａで図示したように、パウチ型電池１００の内部構造を図示している。既に説明したように、力センサ４３０は、第１端子４６０を介して付加的コンタクト部４５０に接続され、第２端子４７０を介して陽極４４５に接続されている。図４Ｂに図示したように、陰極４４０と、陽極４４５と、付加的コンタクト部４５０とは、カバーフィルム４００の端部領域の一方の側から突出している。シール接合部乃至シールフレームは、カバーフィルム４００を流体密に封止し、金属製のコンタクト部４４０，４４５，４５０と、カバー４００の内側の例えば導電性のコーティングとを押し合わせている。このようにして、電池１００とセンサ４３０との電気的コンタクトを、流体密に封止しながら達成することができる。例えば、電気素子４１０における強力な脱気のせいで、フィルムの溶接接合部の領域において溶接接合部に亀裂又はその他の損傷が生じると、１つ又は全ての電気的コンタクト部４４０，４４５，４５０が切断される。この切断によってトリガされた信号は、例えばバッテリ管理システムに電池の故障を知らせる。択一的に、上記の機能を、電気化学的蓄電装置電池１００の他の任意の場所にも設けることができる。ここでは、コンタクト部４４０，４４５，４５０は、カバーフィルム４００の内側平面に印刷されている。この場合、コンタクト部４４０，４４５，４５０は、カバーフィルム４００の縁部を超えて突出している。
【００４０】
図５は、図４Ｂの電気化学的蓄電装置１００の一部を示す別の原理図に基づき、第２センサ４３０の別のコンタクト手段を図示している。ここでは、付加的コンタクト部４５０の他に、さらなる別の付加的コンタクト部５００が使用されている。図４Ｂに図示したパウチ型電池１００の実施例とは異なり、図５の第２端子４７０は、陽極４４５とではなく、別の付加的コンタクト部５００とセンサ４３０とを接続している。
【００４１】
図６及び図７は、組み込まれたガス圧力センサとして構成されている力センサ４３０を例にして、フィルムセンサの考えられるコンタクト形態を説明するための詳細平面図を示している。ここでも図面は、パウチ型電池の外側のカバー４００の断面を示している。両方の図において、力センサ乃至ガス圧力センサ４３０には、別個の支持体フィルム６００が設けられている。フィルム６００はフレキシブルであり、従って、力センサ４６０において使用されるひずみゲージのひずみを阻害しない。図６及び図７から分かるように、フレキシブルな支持体フィルム６００は、センサ４３０を完全に覆っている、又は、取り囲んでいる。択一的に、支持体フィルム６００の上に、ひずみ検出のためのＭＥＭＳセンサ素子（ＭＥＭＳ＝マイクロエレクトロメカニカルシステム）を設けることもできる。
【００４２】
図６は、フィルムとして適用されたガス圧力センサ４３０を有する電気化学的蓄電装置１００の実施例を示し、ここでは、第１端子４６０及び第２端子４７０は、それぞれガス圧力センサ４３０の電圧を供給するための独立したコンタクト部を形成している。
【００４３】
図７に図示した実施例は、第１端子４６０が陰極４４０とガス圧力センサ２３０とを接続しているという点で、図６に図示した実施例とは異なっている。
【００４４】
図８Ａ〜８Ｃは、カバーフィルムを有する電気化学的蓄電装置の力センサの種々異なるコンタクト手段の原理図を示す。電気化学的蓄電装置１００の、図４Ｂ〜７に既に図示した部分の断面平面図が、それぞれ９０°傾けられて図示されている。ここでは例として、陰極４４０を有する力センサ４３０のコンタクトについて考察する。図８Ａ〜８Ｃに図示する実施例においては、力センサ４３０は、常にカバーフィルム４００の外側に配置されている。
【００４５】
図８Ａは、力センサ４３０を電気的にコンタクトさせる前の出力部の状態を図示している。ここでは、力センサ４３０の電気的端子と電極４４０の電気的端子との間に確実な電気的コンタクトを形成することが課題である。
【００４６】
図８Ｂは、導電性接着剤による接続８００によるコンタクト形成を図示している。導電性接着剤による接続８００により、力センサ４３０の電気的端子と電極４４０との間に導電的な接続が形成される。
【００４７】
図８Ｃは、打ち抜きコンタクト乃至スルーコンタクト８１０の形態でのコンタクト形成を示す。ここでは架橋のために、接着された付加的フィルム８２０が使用される。カバーフィルム４００の溶接接合部の領域にコンタクトを形成する場合には、付加的フィルム８２０を省略することが可能である。択一的に、付加的フィルム８２０の代わりに、厚膜ペースト、ボンディングワイヤ、ボンディングテープを使用することも可能である。
【００４８】
図９は、電気化学的蓄電装置の少なくとも１つの状態パラメータを算出するための方法９００を示すフローチャートの１つの実施例を示す。この方法は、図１〜８に基づいて説明した、カバーフィルムによって包囲されたガルバニ素子を有する電気化学的蓄電装置を使用して実施される。第１ステップ９１０において、カバーフィルムのひずみ状態が検出される。この場合、電気化学的蓄電装置の複数の異なる状態パラメータを検出できるようにするために、カバーフィルムの複数の異なる位置において、例えば中央領域と縁部領域とにおいて−同時に又は時間的にずらして−、カバーフィルムのひずみ状態を検出することができる。次のステップ９２０では、ひずみ状態に基づいて、電気化学的蓄電装置の少なくとも１つの状態パラメータを算出することができる。つまり、カバーフィルムの中央領域での測定に基づいて算出された状態パラメータによって、電気化学的蓄電装置の充電状態を推定することができ、その一方で、カバーフィルムの縁部領域での測定に基づいて算出された状態パラメータは、電気化学的蓄電装置の経年劣化状態乃至健康状態に関する指示を供給する。
【００４９】
方法９００は、パウチ型電池積層体の内部において圧力及び力が相互に影響を与え合っているという事実が考慮されるように構成されている。使用しているフィルムセンサが電池電圧によって給電される場合にも、方法９００は有意な測定値を供給する。方法９００は、好ましくは電力線を介した信号通信の実施を含むことができ、その場合には、センサ乃至集積評価電子機器の両方のコンタクト部が電池の両極に接続されている。別の実施例によれば、方法９００は、評価ユニット（ＡＳＩＣ）による状態監視（危険な基準値の超過）によりバッテリ管理システムに警告信号が送信されるように、又は、内部圧力センサ乃至ガス圧力センサが外部圧力に合わせて定期的に調整されるように構成されている。方法９００は、気密性の損失又は危険な健康状態が検出されると、そのことが中央車両制御装置及び／又は運転者へと例えば警告灯を介して通知されること、若しくは、気密性の損失又は健康状態が危険であることが検出されると、損傷した電池の切断又はバイパスが行われることを含むことができる。さらに１つの実施形態によれば、調整機能によってパウチ型電池のセンサ乃至ガス圧力センサの測定値と比較するために、（低圧の）外部圧力センサの測定値が参照される。別の１つの実施形態では、この調整は、例えば電池の基本状態中の後運転時に実施される。別の１つの実施形態においては、測定値を計算するために、例えば試験動作から得られた少なくとも１つの経験に基づくデータ値を含んでいる特性マップも使用され、これにより、パウチ型電池・フィルムセンサ・システムの調整を実例に即して実施することができる。択一的に、ガス圧力センサを省略することができ、充放電サイクルに亘る平均化によって健康状態乃至ガス圧力を算出することができる。
【００５０】
方法９００は、センサフィルムがパウチ型電池の上に配置されているか、又は中に配置されているかに関係なく使用することができ、方法９００によれば、フィルムセンサを使用して、負荷の発生によって外側のカバーに亀裂が生じる前に機械的応力を監視することができる。これにより、安全性の危険を最小限にすることできる。圧力状態の検出に基づいて、バッテリ電池の急速な充放電を制御することもできる。
【００５１】
図面に示した上述の実施例は、一例として選択されたものにすぎない。種々の実施例を、完全に又は個々の特徴に関して互いに組み合わせることができる。ある１つの実施例を、別の実施例の特徴によって補うことも可能である。さらに、本発明の方法ステップは繰り返すことができ、記載した順序とは異なる順序で実施することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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