用于機動車電池的電池單體、電池以及機動車的制作方法

本發明涉及一種用于機動車電池的電池單體，該電池單體具有電元件、用于容納電元件的電池單體殼體和用于監測電池單體的至少兩個微電子電路。本發明還涉及一種電池以及機動車。

背景技術：

在已知的電池單體中通常在電池單體殼體中分別布置一個電元件。為了提供確定的電壓或確定的電流可將多個電池單體聯接成電池。如今，這種電池尤其作為牽引電池應用在機動車中、例如電動車輛或混合動力車輛中以用于驅動機動車。然而，在機動車中使用該電池時，該電池必須滿足一定的要求。因為牽引電池可提供幾百伏特電壓，必須有特殊的安全措施，以用于例如避免對人員造成危害。此外，必須確保電池的高度可支配性。這種高度可支配性尤其與電池的受損程度或老化相關。因為電池單體受制造決定在其容量及其內阻方面有波動，因此電池單體通常具有不同的充電和放電速度。對此，在單個單體例如被深度放電或過量充電時會損壞電池。

由現有技術已知用于監測電池或各個電池單體的措施。de102010011740a1揭示了一種電池，在該電池中通過傳感器檢測單個電池單體的狀態并且無線地發送給上級的中央單元。在wo2012/034045a1中描述了一種電池監測系統，在該電池監測系統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，在其中為了延長電池的使用壽命而監測該電池的物理特性。

但是因為在機動車中僅有限的結構空間可用，所以電池及其電子部件在機動車中的集成是很大的挑戰。

技術實現要素：

本發明的目的是盡可能節省空間地集成微電子電路，以對電池單體進行監測，從而使電池單體的空間需求最小化。

根據本發明，該目的通過具有根據獨立權利要求的特征的電池單體、電池以及機動車實現。本發明的有利的實施方式是從屬權利要求、說明書和附圖的主題。

根據本發明的用于機動車電池的電池單體包括電元件、用于容納電元件的電池單體殼體和用于監測電池單體的至少兩個微電子電路。此外，至少兩個微電子電路中的第一微電子電路被施加在第一載體上并且至少兩個微電子電路中的第二微電子電路被施加在第二載體上。對此，兩個載體彼此疊置并因此形成堆疊結構，從而第一載體的上側面對第二載體的底側。

電元件尤其構造成二次電池，其可放電以用于為電氣部件供電并且在放電之后可再次充電。對此，電元件按已知的方式包括兩個電極和電解液。電元件布置在電池單體殼體中，電池單體殼體例如由鋁制成。對此，電元件可相對于電池單體殼體電絕緣。為此，例如可將絕緣材料布置在電池單體殼體的壁的內側和電元件之間。為了給電氣部件供給由電池單體提供的電壓和/或為了連接電池單體與另一電池單體，對此電池單體殼體具有兩個尤其暴露的電池極或電池連接端，其中各電池極分別與電元件的電極電連接。

為了監測電池單體，電池單體具有至少兩個微電子電路。設有微電子電路的電池單體也可稱為智能的電池單體。對此，每一個微電子電路可包括至少一個所謂的單芯片系統或soc(片上系統)。在這種單芯片系統中，系統的各種功能，例如以集成電路(ic-integratedcircuit)的形式集成或結合或編程在共同的芯片或半導體基底上。該系統或集成電路可包括不同的元件或部件，例如半導體結構元件、邏輯電路、時鐘發生器、有源的和無源的結構元件、傳感器或fpgas(現場可編程門陣列fieldprogrammablegatearrays)，其被聯接在一起提供確定的功能。對此多個集成電路或單芯片系統可經由微電子電路的導線彼此電連接。

根據本發明，此時每一個微電子電路都布置在單獨的載體上。載體例如可設計成電路板。對此，電路板可不僅在單側而且可在兩側配置相應微電子電路的芯片和導線。例如電路板可構造成柔性電路板，所謂的pcb薄膜(pcb印刷電路板)。pcb薄膜在具有高的機械彎曲負荷能力以及高的溫度負荷能力的同時，具有特別低的重量以及特別小的厚度。但是也可設置成，將電路板構造成所謂的注塑成型的電路載體或mid(模塑互連器件moldedinterconnectdevices)。這種載體通常是注塑成型的塑料構件，其也根據特殊的方法被施加金屬導線。對此，塑料構件尤其構造成三維的或塑性的構件。因此，實施成mid的載體特別柔韌。

單獨的載體彼此疊置地堆疊，從而形成層狀結構。對此，第一載體布置在第二載體之下，從而第一載體的上側面對第二載體的底側。對此，第一載體的上側和第二載體的底側至少局部地重合。通過這種層狀構造可使載體以及借助載體使微電子電路特別節省空間地布置在電池單體中。此外，在兩個電路板上的芯片可經由特別短的線路路徑電接觸。微電子電路能夠以有利的方式通過電元件本身供給電能。因此形成自給自足的系統。

根據本發明的一個實施方式，第一微電子電路布置在第一殼體中，第二微電子電路布置在第二殼體中。對此，兩個經殼體封裝的或裝入殼體中的微電子電路被施加在相應的載體上，其中，兩個載體彼此電氣和/或機械聯接。

具有布置在殼體中的電子電路的載體也被稱為封裝體。通過兩個或更多個封裝體彼此疊置而產生的堆疊結構也稱為封裝體疊層(pop)。

對此，封裝體、即載體和位于其上的經殼體封裝的微電子電路可單獨地并且彼此無關地制成。由此對封裝體的制造例如可委托給具有相應經驗的不同制造商。各個封裝體此時可特別靈活地并且按特殊要求地接合成堆疊結構、即封裝體疊層。換句話說，這意味著可規定堆疊結構的功能性并且通過接合相應的封裝體可靈活的提供堆疊結構的功能性。為了進行電氣和機械連接，可將封裝體、尤其載體釬焊在一起。也可在一個封裝體或封裝的微電子電路的芯片故障時以特別簡單的方式更換相應的封裝體。也可通過模塊化地制造封裝體以有利的方式單個地測試封裝體并且在故障時必要時進行更換。

根據本發明的另一實施方式，第一載體和第二載體共同地布置在一個殼體中。此外，在共同的殼體之內的兩個載體彼此機械聯接和/或電聯接。載體在共同的殼體中的布置也稱為系統級封裝(sip)。為了給各個微電子電路供電和/或為了與相應另一微電子電路進行信號交換或與堆疊結構之外的部件進行信號交換，例如可在共同的殼體的底面中設置電接觸面，該電接觸面例如可經由焊線與各個載體電連接。通過將所有微電子電路集成在一個殼體中可使堆疊結構實施成特別節省空間的，并因此例如能夠布置在電池單體殼體之內的特別小的空腔中。

可設置成，殼體由相對于電元件的電解液不敏感的材料、尤其陶瓷制成。在堆疊結構布置在電池單體之內的情況下，不允許例如通過液態的電解液或其他的化學物質溶解或腐蝕殼體。通過腐蝕例如會改變電解液的化學組成并因此改變電池單體、尤其電元件的性質。在殼體受損時化學物質也會與微電子電路接觸并且由此損壞微電子電路。為了避免這種情況，殼體優選由陶瓷和/或特殊的塑料或類似的耐腐蝕的材料制成。因此能夠以可靠的方式提供對微電子電路的保護。

特別優選地，提供至少一個傳感器元件和/或至少一個存儲元件和/或至少一個通信裝置和/或至少一個微處理器作為微電子電路的元件。至少一個傳感器元件用于檢測電池單體的物理和/或化學特性。這種物理和/或化學特性例如可以是電池單體殼體之內的溫度、電池單體殼體之內的壓力、電池單體的加速度或電元件的電解液的化學組成。

由至少一個傳感器元件檢測到的數據可被存儲在至少一個存儲元件上。因此可在電池單體的整個運行期間或使用壽命中監測電池單體的狀態。至少一個微處理器例如可設計成，對由傳感器元件檢測到的數據和/或存儲在存儲元件中的數據進行評估，以便例如獲取在電池單體運行期間物理和/或化學特性的改變。至少一個通信裝置例如可設計成，用于與電池單體之內和之外的部件通信。電池單體之外的部件例如可以是機動車的電池管理系統或另一電池單體。電池單體之內的部件例如可以是相應另一載體上的元件或在電池單體殼體之內布置在與堆疊結構的位置不同的位置上的傳感器。通信裝置例如可以實施成無線傳輸裝置，其例如經由藍牙或wlan、但是也例如經由超聲波和光波發送和/或接收數據。

本發明的一個實施方式規定，包括兩個載體的堆疊結構以機械方式與電池單體殼體的壁的外側連接。由此，堆疊結構布置在殼體的外壁上并且固定在此處。因此，例如為了安裝，可特別容易地接近電子部件。

在本發明的一個改進方案中，包括兩個載體的堆疊結構在殼體的外側上布置在電池單體殼體的兩個電連接端之間。如所述地，殼體通常具有兩個暴露的連接端或極。通過布置在極之間的、尤其與極齊平地結束的堆疊結構有利地利用了極之間的空間。

可替代地，可設置成，包括兩個載體的堆疊結構以機械和/或熱的方式與電池單體殼體的壁的內側聯接。在例如方形的電池單體殼體和布置在其中的例如電元件的情況下，通常在電元件和電池單體殼體之間有空腔。該空腔可有利地用于容納堆疊結構。為了使堆疊結構可靠地布置在電池單體殼體之內，將堆疊結構固定在電池單體殼體的內壁上。在電池單體殼體由導熱材料、例如鋁制成的情況下可由此將通常在運行中由微電子電路產生的余熱/廢熱排放給電池單體殼體并最終排放到電池單體殼體之外的周圍環境。因此可以有利的方式冷卻堆疊結構。

此外，本發明包括電池，該電池具有至少兩個根據本發明的電池單體的串聯電路和/或并聯電路。

根據本發明的機動車包括至少一個根據本發明的電池。機動車例如可構造成轎車，尤其電動汽車或混合動力汽車。但是機動車也可實施成電動摩托車或自行車。

但是也能夠將電池設置在固定的儲能系統中。對此例如可設置成，在機動車中提供的電池作為所謂的二次生命電池繼續應用在固定的儲能系統中。

關于根據本發明的電池單體所提及的優選實施方式和其優點相應地適用于根據本發明的電池以及根據本發明的機動車。

附圖說明

下面根據優選的實施例以及參考附圖詳細闡述本發明。

其中：

圖1示出了電池單體的一個實施方式的示意圖，在該電池單體中微電子電路布置在不同的載體上；

圖2示出了裝有結構元件的襯底的示意圖；

圖3示出了具有微電子電路的堆疊結構的示意圖；以及

圖4示出了具有微電子電路的另一堆疊結構的示意圖。

具體實施方式

在附圖中，相同的以及功能相同的元件設有相同的附圖標記。

下面闡述的實施例是本發明的優選實施方式。但是在該實施例中，實施方式的所述部件分別為本發明的被看作為彼此獨立的單個特征，這些特征也可分別彼此獨立地改進本發明并且由此也可單個地或以與所示組合不同的組合方式被看作為本發明的組成部分。此外，也可通過本發明已經描述的特征中的其他特征對所述實施方式進行補充。

圖1示出了電池單體1，其具有電元件2以及電池單體殼體3。對此，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。電池單體殼體3在此具有兩個暴露的或凸起的連接端4和5，經由連接端可截取電能例如用于為電氣部件供電并且經由連接端可為電池單體1輸送電能以用于給電池單體1充電，或經由連接端可使電池單體1與其他的同種類電池單體聯接成電池。這種電池例如可布置在此處未示出的機動車中以用于驅動該機動車。然而，這種電池也可設置在此處未示出的固定式供電系統中。

電池單體1具有第一微電子電路6和第二微電子電路7。微電子電路6和7用于監測電池單體1。設有微電子電路6和7的電池單體1稱為智能的電池單體1。

對此，微電子電路6和7中的每一個可包括至少一個所謂的單芯片系統或片上系統soc，其在圖2中示出。在單芯片系統soc中，在芯片9或半導體基底上布置各種各樣的元件8并且不同的元件通過聯接在一起而提供確定的功能性。元件8例如可為半導體結構元件、傳感器、存儲元件、邏輯電路、微處理器或通信裝置。對此，多個這種單芯片系統soc例如可經由導線彼此連接成微電子電路。

第一微電子電路6布置在第一載體10上并且第二微電子電路布置在第二載體11上。裝配有微電子電路6和7的載體10和11彼此疊置并且形成堆疊結構12，在堆疊結構中第一載體10的上側13面對第二載體11的底側14。

在此，堆疊結構12在電池單體殼體3之內布置在空腔16中，空腔構造在電池單體殼體3的壁的內側15和電元件2之間。此外，堆疊結構12與電池單體殼體3的內側15熱耦合。因此，在運行中由微電子電路6和7產生的余熱被排放到電池單體殼體3處并最終排放到電池單體1的周圍環境中。

也能夠將堆疊結構12安裝在電池單體殼體3的壁的外側17上。在這種情況下特別有利的是，將堆疊結構12安裝在凸起的連接端4和5之間，從而最佳地利用位于連接端4和5之間的空間。

在電池單體殼體3之內可設置其他的部件18，例如溫度傳感器和/或壓力傳感器，其經由無線連接19與第一微電子電路6和/或第二微電子電路7通信。此外，經由這種無線連接19也可傳輸能量。對此例如可設置此處未示出的變壓器，通過變壓器以電磁波形式傳輸能量。

微電子電路6和7的部件18和/或元件8也可構造成所謂的低功耗部件或所謂的超低功耗部件并因此具有很低的能耗。此外，微電子電路6和7的部件18和/或元件8可構造成所謂的納米發電機并因此從周圍環境中、例如從電池單體殼體3之內的溫度梯度中獲取能量。

圖3示出了堆疊結構12的示意圖。在此，第一載體10、第二載體11、第三載體20、第四載體21和第五載體22彼此疊置地堆疊。載體10、11、20、21、22分別具有微電子電路并且布置在共同的殼體23中，共同的殼體在此顯示為局部打開。共同的殼體23具有多個電接觸面24，電接觸面經由壓焊連接25與載體10、11、20、21、22(尤其其微電子電路)電連接。堆疊結構12也稱為系統級封裝(sip)，在該堆疊結構中載體10、11、20、21、22及其微電子電路布置在共同的殼體23中。

圖4示出了另一堆疊結構12的剖視圖。對此，第一微電子電路6布置在第一殼體26中。第一殼體26布置在第一載體10上。帶有第一微電子電路6的第一殼體26和第一載體10形成所謂的第一封裝體。帶有第二微電子電路7的第二載體11、帶有第三微電子電路27的第三載體20和帶有第四微電子電路28的第四載體21布置在第二殼體29中并由此形成第二封裝體。微電子電路7、27、28經由釬焊連接與第二殼體29的殼體底部30的電接觸面24電連接。第二封裝體在此實施成系統級封裝(sip)，如例如在圖3中所示。

第一封裝體和第二封裝體彼此以機械方式和電氣方式聯接，這通過使殼體底部30的電接觸面24經由能導電的連接元件31、例如釬焊連接與第一載體10的電接觸面24連接。依次堆疊的、彼此接觸的封裝體形成所謂的封裝體疊層。

對此，下部的第一封裝體稱為底部封裝體。底部封裝體例如可包括邏輯電路作為第一微電子電路6。安置在底部封裝體上的、與其接觸的第二封裝體稱為頂部封裝體。頂部封裝體例如可包括存儲元件或存儲模塊。封裝體疊層也可包括多于兩個的封裝體。

通過使封裝體堆疊獲得以下優點，各個微電子電路6、7、27、28可單獨地被測試。例如在微電子電路6、7、27、28中的其中一個的芯片soc發生故障時，可以簡單的方式更換該故障的芯片soc或具有該故障的芯片soc的封裝體。此外，直至各個封裝體接觸前不久，即，直至釬焊工藝前不久確定特定的芯片組合或特定的封裝體組合。由此，在封裝體疊層時例如位于上部的存儲芯片、即包括存儲模塊的上部封裝體在釬焊工藝之前可在存儲容量方面進行變化。根據圖4的堆疊機構12的另一優點在于在兩個封裝體之間的短的接觸路徑。由此例如可以高的時鐘頻率運行存儲器和兩個芯片之間的連接。

因為如圖3和圖4所示的堆疊結構12布置在電池單體殼體3之內，殼體23、26、29優選由耐腐蝕的材料制成，耐腐蝕的材料不會通過電元件2的電解液而受到損害或損壞。