本發(fā)明涉及一種用于機(jī)動(dòng)車電池的電池單體，該電池單體具有包括第一電極和第二電極的電元件、包括第一連接端和第二連接端的電池單體殼體、至少一個(gè)用于檢測電池單體的物理和/或化學(xué)特性的傳感器裝置和控制裝置，其中，電元件布置在電池單體殼體中。本發(fā)明還涉及一種電池以及機(jī)動(dòng)車。
背景技術(shù)：
在已知的電池單體中通常在電池單體殼體中分別布置有一個(gè)電元件。為了提供確定的電壓或確定的電流，可將多個(gè)電池單體聯(lián)接成電池。如今，該電池尤其作為牽引電池應(yīng)用在機(jī)動(dòng)車中、例如電動(dòng)車輛或混合動(dòng)力車輛中以用于驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)車。然而，在機(jī)動(dòng)車中使用該電池時(shí)該電池必須滿足一定的要求。因?yàn)闋恳姵乜商峁装俜仉妷?，必須有特殊的安全措施，以用于例如避免?duì)人員造成危害。此外，必須確保電池的高度可支配性/可用性。這種高度可支配性尤其與電池的受損程度或老化相關(guān)。因?yàn)殡姵貑误w受制造決定在其容量及其內(nèi)阻方面有波動(dòng)，因此電池單體通常具有不同的充電和放電速度。對(duì)此，在單個(gè)電池單體例如被深度放電或過量充電時(shí)會(huì)損壞電池。對(duì)此，尤其在電池單體的串聯(lián)電路中，電池單體的損壞或失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池失效。
由現(xiàn)有技術(shù)已知用于監(jiān)測電池或各個(gè)電池單體的措施。de102010011740a1揭示了一種電池，在該電池中通過傳感器檢測單個(gè)電池單體的狀態(tài)并且無線地發(fā)送給上級(jí)的中央單元。在wo2012/034045a1中描述了一種電池監(jiān)測系統(tǒng)，在該電池監(jiān)測系統(tǒng)中在電池單體上或中安裝測量裝置。wo2004/047215a1也公開了一種電池管理系統(tǒng)，在其中為了延長電池的使用壽命而監(jiān)測該電池的物理特性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是，使電池單體構(gòu)造得特別可靠。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有獨(dú)立權(quán)利要求所述特征的電池單體、電池以及機(jī)動(dòng)車實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利實(shí)施方式是從屬權(quán)利要求、說明書和附圖的主題。
根據(jù)本發(fā)明的用于機(jī)動(dòng)車電池的電池單體包括具有第一電極和第二電極的電元件、具有第一連接端和第二連接端的電池單體殼體、至少一個(gè)用于檢測電池單體的物理和/或化學(xué)特性的傳感器裝置和控制裝置，其中，電元件布置在電池單體殼體中。此外，電池單體具有開關(guān)裝置，借助開關(guān)裝置可使第一連接端和第二連接端電連接。此外，控制裝置設(shè)計(jì)成，根據(jù)由傳感器裝置檢測到的物理和/或化學(xué)特性閉合開關(guān)裝置以用于橋接/跨接電池單體。
電元件尤其構(gòu)造成二次電池，二次電池可被放電以用于為電氣部件供電并且在放電之后可再次充電。電元件布置在電池單體殼體中，其中，電元件的第一電極與第一連接端電聯(lián)接并且電元件的第二電極與第二連接端電聯(lián)接。因此，可在連接端上截取由電元件提供的電能例如以用于為電氣部件供電。也能夠經(jīng)由連接端將能量輸送給電元件以進(jìn)行充電。此外，電池單體可經(jīng)由連接端與其他的同種類的電池單體聯(lián)接成電池。
至少一個(gè)傳感器裝置用于檢測電池單體的物理和/或化學(xué)特性，該至少一個(gè)傳感器裝置可布置在電池單體殼體之內(nèi)或之外。至少一個(gè)傳感器裝置或該傳感器可構(gòu)造成所謂的微機(jī)電系統(tǒng)(mems)。傳感器例如可構(gòu)造成以下傳感器中的至少一種：振動(dòng)傳感器，加速度傳感器，陀螺儀，溫度傳感器，力傳感器，壓力傳感器，彎曲傳感器，應(yīng)變式傳感器，位移傳感器，傾斜傳感器，距離傳感器，接近傳感器，光學(xué)傳感器、例如光傳感器，光敏傳感器，uv傳感器，顏色傳感器，紅外傳感器、尤其ndir(非色散紅外)傳感器，光譜傳感器，用于液位測量、例如用于測量電解液的液位的傳感器，用于電導(dǎo)率測量、例如用于測量電解液的電導(dǎo)率的傳感器，用于探測微粒以便證明自由的、運(yùn)動(dòng)的分子、原子或基本粒子的傳感器，用于電流測量的傳感器，磁場傳感器，霍爾傳感器，用于電壓測量的傳感器，氣敏傳感器、例如用于獲取電池單體之內(nèi)的氣體組成，電化學(xué)傳感器、例如用于獲取電解液或氣體的化學(xué)組成，ph傳感器、超聲波傳感器、用于高度精確的距離測量的電感傳感器，壓電傳感器或光電傳感器。
電池單體的物理和/或化學(xué)特性、即由至少一個(gè)傳感器裝置檢測到的傳感器數(shù)據(jù)作為信號(hào)經(jīng)由信道被傳輸給控制裝置。經(jīng)由信道的信號(hào)傳輸可以無線的方式——例如經(jīng)由紅外線、藍(lán)牙、wlan；rfid(無線射頻識(shí)別)或wifi，或以有線的方式進(jìn)行。為了進(jìn)行有線地傳輸，至少一個(gè)傳感器裝置和控制裝置經(jīng)由電導(dǎo)體(例如柔性電路板)、光導(dǎo)體(例如玻璃纖維)、或經(jīng)由總線系統(tǒng)(例如lin、can、i2c、spi、uart)聯(lián)接。
對(duì)此可設(shè)置成，電池單體的所有傳感器裝置和控制裝置被設(shè)計(jì)成網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。對(duì)此，網(wǎng)絡(luò)例如作為可能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)施成全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器裝置可直接地或經(jīng)由至少另一傳感器裝置與控制裝置通信。換句話說，這意味著每個(gè)傳感器裝置為此構(gòu)造成，接收另一傳感器裝置的信號(hào)并且轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)。通過該冗余的信道使得在控制裝置和傳感器裝置之間的信號(hào)傳輸以及對(duì)電池單體的監(jiān)測構(gòu)造得特別可靠。
控制裝置可包括至少一個(gè)微控制器，例如數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)或fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)。在fgpa的情況下獲得以下優(yōu)點(diǎn)，也可在之后對(duì)控制裝置的所有功能進(jìn)行編程，例如添加和刪除?？刂蒲b置也可具有多于一個(gè)的微控制器，其滿足不同的功能或任務(wù)。微控制器例如可構(gòu)造成單芯片系統(tǒng)或soc(片上系統(tǒng))。也可設(shè)置成使控制裝置構(gòu)造成分散的分布式系統(tǒng)，在其中微控制器部分地布置在電池單體殼體之內(nèi)并且部分地布置在電池單體殼體之外，并且例如經(jīng)由無線傳輸裝置彼此通信。
基于至少一個(gè)傳感器裝置的信號(hào)，控制裝置可計(jì)算出或得出電池特定的特征值。這種電池特定的特征值例如可為電池單體的荷電狀態(tài)(stateofcharge)、所謂的健康狀態(tài)(stateofhealth)、預(yù)期壽命或剩余使用壽命或受損程度。對(duì)此，例如可將電池單體的模型存儲(chǔ)在控制裝置中，控制裝置基于該模型得出電池特定的特征數(shù)據(jù)。
開關(guān)裝置例如可構(gòu)造成繼電器或半導(dǎo)體開關(guān)裝置，其中，各開關(guān)裝置例如經(jīng)由匯流排與電池單體殼體的連接端連接。當(dāng)開關(guān)裝置斷開，沒有電流流經(jīng)連接端之間的匯流排和開關(guān)裝置。由此在斷開狀態(tài)下，電池單體可按常規(guī)地用于提供電能和/或充電。當(dāng)開關(guān)裝置閉合時(shí)，則電流可流經(jīng)連接端之間的匯流排和開關(guān)裝置。在這種情況下電元件被橋接/跨接/短路。
當(dāng)控制裝置已經(jīng)得出例如電池單體受損，控制裝置為此設(shè)計(jì)成操控開關(guān)裝置進(jìn)行閉合。尤其在電池單體串聯(lián)時(shí)橋接的這種方案特別有利。例如當(dāng)串聯(lián)的電池單體中的其中一個(gè)發(fā)生故障、即具有損壞時(shí)，則可借助開關(guān)裝置橋接該電池單體。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，串聯(lián)電路中的電流通過有故障的電池單體而中斷。借助上述電池單體可以簡單的方式橋接該故障的電池單體并且經(jīng)由有故障的電池單體的開關(guān)裝置將電流引至相鄰的電池單體。換句話說，可維持串聯(lián)電路之內(nèi)的電流并因此維持整個(gè)電池的功能性。因此，例如布置在機(jī)動(dòng)車中用于驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)車的電池可繼續(xù)提供電能。因此有利地，機(jī)動(dòng)車的駕駛員能夠?qū)⒃摍C(jī)動(dòng)車駛?cè)刖S修車間。
特別有利地，開關(guān)裝置布置在電池單體殼體中并且與電池單體殼體熱耦合。因此，開關(guān)裝置可特別節(jié)省空間地布置在電池單體殼體中并且在開關(guān)裝置的運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量可被排放給電池單體殼體并且進(jìn)一步排出到電池單體的周圍環(huán)境。
本發(fā)明的有利的實(shí)施方案規(guī)定，其中至少一個(gè)電極經(jīng)由電子開關(guān)元件與其中一個(gè)連接端連接，其中，電子開關(guān)元件設(shè)計(jì)成，限制電極和相應(yīng)連接端之間的電流，并且控制裝置設(shè)計(jì)成，根據(jù)由至少一個(gè)傳感器裝置檢測到的物理和/或化學(xué)特性操控電子開關(guān)元件以用于限制電流。電子開關(guān)元件尤其構(gòu)造成半導(dǎo)體開關(guān)，在其中借助電子開關(guān)元件上的控制電壓可控制流經(jīng)電子開關(guān)元件的電流。例如可構(gòu)造為功率mosfet(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)或igbt(絕緣柵雙極型晶體管)的開關(guān)裝置可根據(jù)控制電壓在不同的范圍中工作。當(dāng)電子開關(guān)元件在截止區(qū)中工作時(shí)，即當(dāng)控制電壓低于預(yù)先規(guī)定的閾值時(shí)，電子開關(guān)元件截止或阻斷在電極和相應(yīng)的連接端之間的電流。當(dāng)電子開關(guān)元件在線性區(qū)或三極管范圍中工作時(shí)，則可通過提高控制電壓線性地提高電流。當(dāng)電子開關(guān)在飽和區(qū)中工作時(shí)，則從確定的控制電壓開始在連接端和電極之間可流過恒定的最大電流。控制裝置此時(shí)設(shè)計(jì)成，相應(yīng)地調(diào)控控制電壓，使得基于檢測到的物理和/或化學(xué)特性提供合適的區(qū)域。
當(dāng)至少一個(gè)傳感器裝置例如具有力傳感器，該力傳感器設(shè)計(jì)成用于檢測電元件的變形時(shí)，則控制裝置可基于檢測到的變形得出電池單體的受損程度。根據(jù)該受損程度，控制裝置可操控電子開關(guān)元件來限制電流。換句話說，這意味著限制從電池單體中獲取的電流或輸送給電池單體的電流，即將其降低到比最大電流值更小的值上。對(duì)此，電子開關(guān)元件在線性區(qū)中工作。因此可以有利的方式根據(jù)電池單體的狀態(tài)、例如老化或受損程度調(diào)整運(yùn)行策略并且由此延長電池單體的剩余使用壽命。
特別優(yōu)選地，至少一個(gè)傳感器裝置設(shè)計(jì)成，用于檢測電元件和電池單體殼體之間的絕緣電阻。此外，控制裝置設(shè)計(jì)成，如果絕緣電阻低于預(yù)先規(guī)定的絕緣電阻閾值，則閉合開關(guān)裝置來橋接連接端并且操控電子開關(guān)元件來限制電流。
電池單體殼體可構(gòu)造成兩件式的鋁殼體，其中，兩個(gè)部分在結(jié)合電元件或電池單體卷之后可彼此“氣密地”焊接。對(duì)此，電元件或尤其電元件的電極相對(duì)于能導(dǎo)電的電池單體殼體絕緣。對(duì)此，例如絕緣材料可布置在電池單體殼體的壁的內(nèi)側(cè)和電元件之間。為了檢查絕緣是否完好，借助在該情況下構(gòu)造成所謂的絕緣監(jiān)測器的傳感器裝置得出在電池單體殼體和電元件之間的絕緣電阻并且與為絕緣電阻預(yù)先規(guī)定的閾值相比較。一旦測量的絕緣電阻低于閾值，即，一旦電元件通過低電阻與電池單體殼體連接，這意味著有缺陷的絕緣。這種有缺陷的絕緣會(huì)導(dǎo)致電流經(jīng)過導(dǎo)電的電池單體殼體。在存在有缺陷的絕緣的情況下，控制裝置操控電子開關(guān)元件以截?cái)嚯娏?。由此電子開關(guān)元件在截止區(qū)中工作。此時(shí)為了防止在由多個(gè)電池單體組成的串聯(lián)電路中中斷電流，控制裝置額外地操控開關(guān)裝置進(jìn)行閉合并由此橋接絕緣有缺陷的電池單體。由此，盡管電池單體有缺陷，電池有利地保持功能完好。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)方案，電池單體具有存儲(chǔ)裝置以用于存儲(chǔ)由至少一個(gè)傳感器裝置檢測到的電池單體的物理和/或化學(xué)特性，其中，控制裝置設(shè)計(jì)成，根據(jù)存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)的物理和/或化學(xué)特性閉合開關(guān)裝置以橋接連接端。在存儲(chǔ)裝置中，例如可隨時(shí)間/關(guān)于時(shí)間存儲(chǔ)所有傳感器的信號(hào)。因此可觀察尤其電池單體的物理和/或化學(xué)特性隨時(shí)間、例如從電池單體的起始狀態(tài)(bol-壽命的開始)直至終止?fàn)顟B(tài)(eol-壽命的結(jié)束)的變化。由此可建立電池單體壽命史。由此例如可記錄特別的事件、例如電池單體經(jīng)受的特別高的加速度，并且隨時(shí)進(jìn)行調(diào)取。
作為可能的存儲(chǔ)裝置例如可使用所謂的(超)低功耗存儲(chǔ)器或fram(鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。此外為所有的電子的可編程的結(jié)構(gòu)元件提供otp存儲(chǔ)系統(tǒng)(一次性可編程)，通過附加邏輯可保護(hù)該結(jié)構(gòu)元件以防被篡改，這通過使結(jié)構(gòu)元件例如包括序列號(hào)或唯一的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)或在激活時(shí)首次被寫入。因此，可特別好地保護(hù)電池單體以及所有的關(guān)于電池單體的信息以防被篡改。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，電池單體具有通信裝置以用于與上級(jí)的控制設(shè)備和/或另一電池單體通信。這種通信裝置優(yōu)選實(shí)施成無線傳輸裝置，該無線傳輸裝置例如經(jīng)由藍(lán)牙和wlan發(fā)送數(shù)據(jù)。例如給出相應(yīng)電池單體的荷電狀態(tài)的數(shù)據(jù)例如可被傳輸給電池管理系統(tǒng)或另一同種類的電池單體的控制裝置。由此，例如在串聯(lián)的電池單體具有不同的荷電狀態(tài)時(shí)可進(jìn)行荷電狀態(tài)均衡、即所謂的平衡。這種平衡可為所謂的被動(dòng)平衡，在其中可有針對(duì)性地經(jīng)由可切換的電阻對(duì)充電量最多的電池單體進(jìn)行放電，該可切換的電阻優(yōu)選地布置在電池單體殼體上，使得電池單體的通過電阻轉(zhuǎn)換成熱量的能量可經(jīng)由電池單體殼體排走。也可主動(dòng)地進(jìn)行平衡，在其中有針對(duì)性地為充電量最少的電池單體充電。這例如可通過電容式的能量傳輸經(jīng)由兩個(gè)電池單體的電池單體殼體進(jìn)行或也可通過電感式的能量傳輸來進(jìn)行。
由此，通過通信裝置可以有利的方式隨時(shí)地檢測整個(gè)電池的狀態(tài)并且對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測，且因此延長整個(gè)電池的使用壽命。
優(yōu)選地，至少一個(gè)傳感器裝置設(shè)計(jì)成，僅當(dāng)檢測到的物理和/或化學(xué)特性的值在第一種情況下高于預(yù)先規(guī)定的閾值或在第二種情況下低于預(yù)先規(guī)定的另一閾值，才將檢測到的物理和/或化學(xué)特性的值傳輸給控制裝置。換句話說，這意味著僅當(dāng)在檢測到的值處于預(yù)先規(guī)定的值域之外時(shí)，才將檢測到的值傳輸給控制裝置。該閾值例如可以是電池單體殼體之內(nèi)的最大溫度值或最大壓力值或連接端和電極之間的最大電流值。由于通過事件控制的方式傳輸由傳感器裝置檢測到的數(shù)據(jù)，可不僅在發(fā)送器側(cè)、即在傳感器裝置方面，而且在接收器側(cè)、即在控制裝置方面節(jié)省能量，因?yàn)橹挥性跈z測到的值發(fā)生變化時(shí)，才需要能量來傳輸數(shù)據(jù)。也可以這種方式通過事件控制的方式將數(shù)據(jù)傳輸給存儲(chǔ)裝置。該節(jié)約能量的措施在通過電元件本身給傳感器裝置、控制裝置和存儲(chǔ)裝置供給電能時(shí)是特別有利的。
本發(fā)明的另一有利實(shí)施方式規(guī)定，至少一個(gè)傳感器裝置和/或控制裝置和/或存儲(chǔ)裝置分別具有能量轉(zhuǎn)換裝置以供給能量，該能量轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)成，將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換成電能。對(duì)此，能量轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)造成所謂的能量收集傳感器或能量采集傳感器。從如環(huán)境溫度、振動(dòng)、空氣流動(dòng)、光和電磁波這樣的環(huán)境能量中獲取少量電能稱為能量收集或能量采集。為此所使用的結(jié)構(gòu)裝置、即能量轉(zhuǎn)換裝置也稱為納米發(fā)電機(jī)。
這種納米發(fā)電機(jī)例如可以是在力作用下——例如通過壓力、振動(dòng)或聲響——產(chǎn)生電壓的壓電晶體和/或從溫度差中獲得電能的熱電發(fā)電機(jī)和熱電晶體和/或接收無線電波或電磁射線的能量并作為能源使用的天線、尤其無源的rfids和/或使光基于光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電能的傳感器。在無線技術(shù)中能量采集避免了由于有線的供電或單獨(dú)或分開的電池造成的限制。
此外，本發(fā)明包括電池，該電池尤其具有含根據(jù)本發(fā)明的至少兩個(gè)電池單體的串聯(lián)電路。
根據(jù)本發(fā)明的機(jī)動(dòng)車包括至少一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電池。機(jī)動(dòng)車?yán)缈蓸?gòu)造成轎車，尤其電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車。但是該機(jī)動(dòng)車也可實(shí)施成電動(dòng)摩托車或自行車。
但是也能夠?qū)㈦姵卦O(shè)置在固定的儲(chǔ)能系統(tǒng)中。對(duì)此例如可設(shè)置成，在機(jī)動(dòng)車中提供的電池作為所謂的二次利用電池繼續(xù)應(yīng)用在固定的儲(chǔ)能系統(tǒng)中。
關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的電池單體所提及的優(yōu)選實(shí)施方式和其優(yōu)點(diǎn)相應(yīng)地適用于根據(jù)本發(fā)明的電池以及根據(jù)本發(fā)明的機(jī)動(dòng)車。
附圖說明
下面根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例以及參考附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明。
唯一的附圖示出了電池單體的一個(gè)實(shí)施方式的示意圖，該電池單體具有多個(gè)傳感器裝置和橋接裝置。
具體實(shí)施方式
下面闡述的實(shí)施例是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。但是在該實(shí)施例中，實(shí)施方式的所述各部件分別為本發(fā)明的被看作為彼此獨(dú)立的單個(gè)特征，這些特征也可分別彼此獨(dú)立地改進(jìn)本發(fā)明并且由此也可單個(gè)地或以與所示組合不同的組合方式被看作為本發(fā)明的組成部分。此外，也可通過本發(fā)明已經(jīng)描述的特征中的其他特征對(duì)所述實(shí)施方式進(jìn)行補(bǔ)充。
圖1示出了電池單體1，該電池單體具有電元件2或電池單體卷以及電池單體殼體3。對(duì)此，電元件2布置在電池單體殼體3中。電池單體殼體3例如可由鋁制成。電元件2具有第一電極4和第二電極5。電池單體殼體3具有兩個(gè)連接端6、7，其中，在此第一電極4經(jīng)由電子開關(guān)元件8與第一連接端6連接，并且第二電極5直接與第二連接端7連接。但是也可設(shè)置成，使得第二電極5和第二連接端7經(jīng)由另一電子開關(guān)元件彼此連接。電子開關(guān)元件8尤其構(gòu)造成半導(dǎo)體開關(guān)，經(jīng)由半導(dǎo)體開關(guān)可通過施加控制電壓來控制電流。
經(jīng)由連接端6、7可將電元件2提供的能量輸送給電氣部件以用于為電氣部件供電。也可經(jīng)由連接端6、7向電池單體1輸送電能以進(jìn)行充電。電池單體1也可經(jīng)由連接端6、7尤其與其他的同種類電池單體1串聯(lián)聯(lián)接成電池。這種電池例如可設(shè)置在此處未示出的機(jī)動(dòng)車中以用于驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)車。然而，這種電池也可設(shè)置在此處未示出的固定式供能系統(tǒng)中。
此外，電池單體1具有開關(guān)裝置s，借助開關(guān)裝置可使連接端6、7彼此電連接，并且由此可橋接電池單體1。開關(guān)裝置s例如可包括繼電器或半導(dǎo)體開關(guān)。然而，開關(guān)裝置s也可包括具有由繼電器和半導(dǎo)體開關(guān)組成的串聯(lián)電路的混合變型。
對(duì)此，開關(guān)裝置s可經(jīng)由第一匯流排28與第一連接端6連接并且可通過第二匯流排29與第二連接端連接。開關(guān)裝置s也可布置在電池單體殼體3之內(nèi)并且與該電池單體殼體熱耦合，并因此以有利的方式通過電池單體殼體3冷卻開關(guān)裝置。
此外，電池單體1在此具有多個(gè)傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18以用于檢測電池單體1和控制裝置19的物理和/或化學(xué)特性。
傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18設(shè)計(jì)成，經(jīng)由信道20、21、22與控制裝置19通信。因此，在此傳感器裝置9、11、12、13、14、15、16、17與控制裝置19共同形成網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诖司哂锌偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。信道20在此可構(gòu)造成線路，例如電線路或光線路。然而也可使傳感器裝置9、11、12、13、14、15、16、17以無線的方式(例如經(jīng)由wlan、rfid、藍(lán)牙或光脈沖)與控制裝置19通信。對(duì)此，傳感器裝置9、11、12、13、14、15、16、17中的每一個(gè)可要么直接地要么經(jīng)由傳感器裝置9、11、12、13、14、15、16、17中的另一個(gè)與控制裝置19通信。換句話說，這意味著傳感器裝置9、11、12、13、14、15、16、17中的每一個(gè)都可將信號(hào)傳輸給傳感器裝置9、11、12、13、14、15、16、17中的另一個(gè)。其他的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?例如全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、樹型拓?fù)?、線型拓?fù)浠蛐切屯負(fù)?也是可以的。在電池單體1的這種構(gòu)造方案中，可形成冗余的信號(hào)傳輸路徑。
傳感器裝置10在此經(jīng)由無線連接22、例如wlan或藍(lán)牙直接與控制裝置19通信。
傳感器裝置13、14、18在此經(jīng)由總線系統(tǒng)21(例如lin、can、i2c、spi、uart)與控制裝置19通信。控制裝置19具有與其相應(yīng)的端口或接口。
傳感器裝置9、10例如構(gòu)造成溫度傳感器，其檢測電池單體殼體3之內(nèi)的溫度。傳感器裝置11例如構(gòu)造成用于測量在電元件2和電池單體殼體3之間的絕緣電阻的傳感器。借助絕緣測量可確定電池單體殼體3和電元件2之間存在低電阻導(dǎo)電連接還是高電阻絕緣連接。傳感器裝置12在此構(gòu)造成用于測量電元件2的電解液的密度的密度傳感器，傳感器裝置13構(gòu)造成用于測量電解液的電導(dǎo)率的電導(dǎo)率傳感器，以及傳感器裝置14構(gòu)造成用于測量電解液的化學(xué)組成的頻譜分析傳感器。傳感器裝置15實(shí)施成用于測量電池單體殼體3之內(nèi)的壓力的壓力傳感器。傳感器裝置16在此實(shí)施成氣敏傳感器，借助氣敏傳感器例如能夠發(fā)現(xiàn)電解液的分解。傳感器裝置17在此是用于測量電池單體1所經(jīng)受的加速度的加速度傳感器。傳感器裝置18構(gòu)造成力傳感器，借助力傳感器可測量電池單體1的變形。
所有這些傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18的數(shù)據(jù)被提供給控制裝置19，控制裝置在此與電元件2的電極4、5連接。因此可確保對(duì)控制裝置19的穩(wěn)定的電流和電壓供給。對(duì)此，控制裝置19可額外地具有emv濾波器(emv-電磁兼容性)以及電壓測量單元。此外，控制裝置19可具有所謂的安全單元以便安全可靠地傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)此，安全單元例如設(shè)計(jì)成用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。
控制裝置19此時(shí)為此設(shè)計(jì)成，基于傳感器數(shù)據(jù)得出電池單體1的電池專有的特征值，例如電池單體1的受損程度或荷電狀態(tài)。也可通過控制裝置19在電池單體1之內(nèi)進(jìn)行阻抗分析或阻抗顯微檢查(impedanzmikroskopie)，從而得出復(fù)雜的內(nèi)阻作為頻率和/或溫度的函數(shù)。此外，傳感器數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置23中，以便例如在電池單體1的整個(gè)使用壽命期間監(jiān)測該電池單體。在存儲(chǔ)裝置中例如可存儲(chǔ)荷電狀態(tài)(stateofcharge)、soh(健康狀態(tài))、電流變化曲線、電流峰值、傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18的所有數(shù)據(jù)的趨勢(shì)或梯度、溫度變化曲線、特征曲線場和受保護(hù)的源代碼。借助可從存儲(chǔ)器23中讀取的數(shù)據(jù)例如可在沒有其他測試的情況下評(píng)估出電池是否適合再次應(yīng)用(所謂的二次利用)于例如固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)中。為了將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)裝置23中，例如可通過存儲(chǔ)在控制裝置19上的算法壓縮數(shù)據(jù)。可連續(xù)地、在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)或通過事件控制地寫入數(shù)據(jù)。
基于電池專有的特征值，控制裝置19對(duì)此設(shè)計(jì)成，操控開關(guān)裝置s來閉合并進(jìn)而橋接電池單體1。例如如果傳感器裝置11確定有絕緣故障，則將其通知控制裝置19，該控制裝置接下來操控開關(guān)裝置s進(jìn)行閉合。
此外，控制裝置19對(duì)此設(shè)計(jì)成，根據(jù)檢測到的物理和/或化學(xué)特性(例如作為電池單體1的使用壽命的函數(shù))動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)第一連接端7和第一電極4之間的電流，例如限制或減小該電流。在有絕緣故障時(shí)特別有利的是，控制裝置19額外地操控電子開關(guān)元件8以便截?cái)嘣陔姌O4和連接端6之間的電流。
為了監(jiān)測在第一電極4和第一連接端6之間的電流，在此將高精度的電流傳感器24布置在電極4和連接端6之間。
反之，控制裝置19也可將信號(hào)發(fā)送給傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18以用于使傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18運(yùn)行。
此外，電池單體1在此具有通信裝置25，通信裝置對(duì)此設(shè)計(jì)成，與這里未示出的上級(jí)的電池管理系統(tǒng)和/或其他的同種類的電池單體1通信。借助通信裝置25可將由控制裝置19得出的電池專有的特征值、例如電池單體1的荷電狀態(tài)傳送給上級(jí)的電池管理系統(tǒng)，該電池管理系統(tǒng)比較傳送的荷電狀態(tài)與電池的其他電池單體的荷電狀態(tài)。如果電池單體1例如具有比其他的電池單體更高的荷電狀態(tài)，則可借助可切換的電阻26進(jìn)行所謂的被動(dòng)平衡。對(duì)此，從電元件2中有針對(duì)性地提取電能并且通過可切換的電阻26轉(zhuǎn)換成熱能。即，電池單體1放電。對(duì)此特別有利的是，可切換的電阻26與電池單體殼體3熱耦合，從而轉(zhuǎn)換成熱量的電能可經(jīng)由電池單體殼體3排放到周圍環(huán)境中。
也可設(shè)置成，借助所謂的主動(dòng)平衡使電池單體1放電，并且經(jīng)由能量傳輸裝置27將放電能量輸送給充電較少的另一電池單體以進(jìn)行充電。反之，也可經(jīng)由能量傳輸裝置27為電池單體1充電。能量傳輸裝置27可例如借助電容或電感傳輸能量。
對(duì)此，可通過控制裝置19單獨(dú)地為電池單體1預(yù)先規(guī)定智能的充電策略，以便通過最佳的充電和放電來延長電池單體1的使用壽命。對(duì)此，例如控制裝置19可將關(guān)于電池單體1的實(shí)際狀態(tài)經(jīng)由通信裝置25主動(dòng)地傳達(dá)給充電柱、即用于提供充電能量的設(shè)備。由此可在電池單體1的臨界狀態(tài)下主動(dòng)地?cái)嚅_充電。
傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18中的每一個(gè)和/或控制裝置19和/或存儲(chǔ)裝置23也分別具有此處未示出的能量轉(zhuǎn)換裝置，該能量轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)造成能量收集傳感器或能量采集傳感器。從如環(huán)境溫度、振動(dòng)或空氣流動(dòng)這樣的來源中獲取少量電能稱為能量采集。為此所使用的結(jié)構(gòu)裝置、即能量轉(zhuǎn)換裝置也稱為納米發(fā)電機(jī)。在無線技術(shù)中能量采集避免了由于有線的供電或單獨(dú)或分開的電池造成的限制。
這種納米發(fā)電機(jī)例如可為在力作用下——例如通過壓力、振動(dòng)或聲響——產(chǎn)生電壓的壓電晶體和/或從溫度差中獲得電能的熱電發(fā)電機(jī)和熱電晶體和/或接收無線電波或電磁射線的能量并作為能源使用的天線、尤其無源的rfids和/或使光基于光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電能的傳感器。
電池單體1的所有電子部件、即傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18和/或控制裝置19和/或存儲(chǔ)裝置23也可實(shí)現(xiàn)為所謂的“低功耗”實(shí)施方式、尤其“超低功耗”實(shí)施方式。這意味著，這些電子部件具有特別低的能耗。
因此，電子部件例如可在睡眠模式下(“深度睡眠”)運(yùn)行，在該睡眠模式下電子部件全部被停用，以便省電。例如可通過命令或所謂的中斷來激活。對(duì)此，激活可作為快速啟動(dòng)(“faststart”)來進(jìn)行，即作為例如在控制裝置19之內(nèi)的非?？焖俚摹案咚龠\(yùn)行”或功能進(jìn)程的繼續(xù)。對(duì)此有利地，無需初始化程序，因?yàn)榭珊唵蔚卦倮^續(xù)周期性的正常運(yùn)行。該激活也可作為喚醒(“wakeup”)進(jìn)行，在喚醒的情況下例如通過事件控制來重新激活所有功能。
因此，只有在例如通過傳感器裝置9、10、11、12、13、14、15、16、17、18中的其中一個(gè)檢測到物理和/或化學(xué)特性改變、尤其重要改變時(shí)，才將消耗能量例如來傳輸數(shù)據(jù)。這種改變例如是超過或低于預(yù)先規(guī)定的閾值或?qū)τ陔姵貑误w1的物理和/或化學(xué)特性來說存在新的最小或最大值。
尤其控制裝置19對(duì)此設(shè)計(jì)成，在具有非常低的電流消耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠的運(yùn)行。對(duì)此，可通過降低時(shí)鐘頻率和運(yùn)行電壓來降低電流消耗。也可設(shè)置附加的特殊寄存器功能srf或特殊的軟件命令。
通過節(jié)能措施可例如通過電子部件的智能編程防止，在電子部件通過電元件2本身供給電能時(shí)，電池單體1放電。
對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析也可在電池單體1之外進(jìn)行，這通過例如借助通信裝置25將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦δ軓?qiáng)大的計(jì)算單元上。然后，經(jīng)分析和計(jì)算的數(shù)據(jù)、即結(jié)果可被傳送給電池單體1的控制裝置19，接下來控制裝置例如操控開關(guān)裝置s進(jìn)行閉合和/或操控電子開關(guān)元件8來限制電流。