本發(fā)明涉及一種用于機(jī)動(dòng)車電池的電池單體，該電池單體具有電元件、用于容納電元件的電池單體殼體和用于監(jiān)測(cè)電池單體的至少兩個(gè)微電子電路。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，這種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。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)單體例如被深度放電或過量充電時(shí)會(huì)損壞電池。

由現(xiàn)有技術(shù)已知用于監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)，在該電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中在電池單體上或中安裝測(cè)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(cè)該電池的物理特性。

但是因?yàn)樵跈C(jī)動(dòng)車中僅有限的結(jié)構(gòu)空間可用，所以電池及其電子部件在機(jī)動(dòng)車中的集成是很大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是盡可能節(jié)省空間地集成微電子電路，以對(duì)電池單體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而使電池單體的空間需求最小化。

根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的特征的電池單體、電池以及機(jī)動(dòng)車實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利的實(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電元件、用于容納電元件的電池單體殼體和用于監(jiān)測(cè)電池單體的至少兩個(gè)微電子電路。此外，至少兩個(gè)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(gè)微電子電路中的第二微電子電路被施加在第二載體上。對(duì)此，兩個(gè)載體彼此疊置并因此形成堆疊結(jié)構(gòu)，從而第一載體的上側(cè)面對(duì)第二載體的底側(cè)。

電元件尤其構(gòu)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(duì)此，電元件按已知的方式包括兩個(gè)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(duì)此，電元件可相對(duì)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(nèi)側(cè)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?yàn)榱诉B接電池單體與另一電池單體，對(duì)此電池單體殼體具有兩個(gè)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(jiān)測(cè)電池單體，電池單體具有至少兩個(gè)微電子電路。設(shè)有微電子電路的電池單體也可稱為智能的電池單體。對(duì)此，每一個(gè)微電子電路可包括至少一個(gè)所謂的單芯片系統(tǒng)或soc(片上系統(tǒng))。在這種單芯片系統(tǒng)中，系統(tǒng)的各種功能，例如以集成電路(ic-integratedcircuit)的形式集成或結(jié)合或編程在共同的芯片或半導(dǎo)體基底上。該系統(tǒng)或集成電路可包括不同的元件或部件，例如半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元件、邏輯電路、時(shí)鐘發(fā)生器、有源的和無源的結(jié)構(gòu)元件、傳感器或fpgas(現(xiàn)場可編程門陣列fieldprogrammablegatearrays)，其被聯(lián)接在一起提供確定的功能。對(duì)此多個(gè)集成電路或單芯片系統(tǒng)可經(jīng)由微電子電路的導(dǎo)線彼此電連接。

根據(jù)本發(fā)明，此時(shí)每一個(gè)微電子電路都布置在單獨(dú)的載體上。載體例如可設(shè)計(jì)成電路板。對(duì)此，電路板可不僅在單側(cè)而且可在兩側(cè)配置相應(yīng)微電子電路的芯片和導(dǎo)線。例如電路板可構(gòu)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(jī)械彎曲負(fù)荷能力以及高的溫度負(fù)荷能力的同時(shí)，具有特別低的重量以及特別小的厚度。但是也可設(shè)置成，將電路板構(gòu)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(gòu)件，其也根據(jù)特殊的方法被施加金屬導(dǎo)線。對(duì)此，塑料構(gòu)件尤其構(gòu)造成三維的或塑性的構(gòu)件。因此，實(shí)施成mid的載體特別柔韌。

單獨(dú)的載體彼此疊置地堆疊，從而形成層狀結(jié)構(gòu)。對(duì)此，第一載體布置在第二載體之下，從而第一載體的上側(cè)面對(duì)第二載體的底側(cè)。對(duì)此，第一載體的上側(cè)和第二載體的底側(cè)至少局部地重合。通過這種層狀構(gòu)造可使載體以及借助載體使微電子電路特別節(jié)省空間地布置在電池單體中。此外，在兩個(gè)電路板上的芯片可經(jīng)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(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(duì)此，兩個(gè)經(jīng)殼體封裝的或裝入殼體中的微電子電路被施加在相應(yīng)的載體上，其中，兩個(gè)載體彼此電氣和/或機(jī)械聯(lián)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(gè)或更多個(gè)封裝體彼此疊置而產(chǎn)生的堆疊結(jié)構(gòu)也稱為封裝體疊層(pop)。

對(duì)此，封裝體、即載體和位于其上的經(jīng)殼體封裝的微電子電路可單獨(dú)地并且彼此無關(guān)地制成。由此對(duì)封裝體的制造例如可委托給具有相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)的不同制造商。各個(gè)封裝體此時(shí)可特別靈活地并且按特殊要求地接合成堆疊結(jié)構(gòu)、即封裝體疊層。換句話說，這意味著可規(guī)定堆疊結(jié)構(gòu)的功能性并且通過接合相應(yīng)的封裝體可靈活的提供堆疊結(jié)構(gòu)的功能性。為了進(jìn)行電氣和機(jī)械連接，可將封裝體、尤其載體釬焊在一起。也可在一個(gè)封裝體或封裝的微電子電路的芯片故障時(shí)以特別簡單的方式更換相應(yīng)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(gè)地測(cè)試封裝體并且在故障時(shí)必要時(shí)進(jìn)行更換。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，第一載體和第二載體共同地布置在一個(gè)殼體中。此外，在共同的殼體之內(nèi)的兩個(gè)載體彼此機(jī)械聯(lián)接和/或電聯(lián)接。載體在共同的殼體中的布置也稱為系統(tǒng)級(jí)封裝(sip)。為了給各個(gè)微電子電路供電和/或?yàn)榱伺c相應(yīng)另一微電子電路進(jìn)行信號(hào)交換或與堆疊結(jié)構(gòu)之外的部件進(jìn)行信號(hào)交換，例如可在共同的殼體的底面中設(shè)置電接觸面，該電接觸面例如可經(jīng)由焊線與各個(gè)載體電連接。通過將所有微電子電路集成在一個(gè)殼體中可使堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)施成特別節(jié)省空間的，并因此例如能夠布置在電池單體殼體之內(nèi)的特別小的空腔中。

可設(shè)置成，殼體由相對(duì)于電元件的電解液不敏感的材料、尤其陶瓷制成。在堆疊結(jié)構(gòu)布置在電池單體之內(nèi)的情況下，不允許例如通過液態(tài)的電解液或其他的化學(xué)物質(zhì)溶解或腐蝕殼體。通過腐蝕例如會(huì)改變電解液的化學(xué)組成并因此改變電池單體、尤其電元件的性質(zhì)。在殼體受損時(shí)化學(xué)物質(zhì)也會(huì)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(yōu)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(duì)微電子電路的保護(hù)。

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

由至少一個(gè)傳感器元件檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可被存儲(chǔ)在至少一個(gè)存儲(chǔ)元件上。因此可在電池單體的整個(gè)運(yùn)行期間或使用壽命中監(jiān)測(cè)電池單體的狀態(tài)。至少一個(gè)微處理器例如可設(shè)計(jì)成，對(duì)由傳感器元件檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和/或存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，以便例如獲取在電池單體運(yùn)行期間物理和/或化學(xué)特性的改變。至少一個(gè)通信裝置例如可設(shè)計(jì)成，用于與電池單體之內(nèi)和之外的部件通信。電池單體之外的部件例如可以是機(jī)動(dòng)車的電池管理系統(tǒng)或另一電池單體。電池單體之內(nèi)的部件例如可以是相應(yīng)另一載體上的元件或在電池單體殼體之內(nèi)布置在與堆疊結(jié)構(gòu)的位置不同的位置上的傳感器。通信裝置例如可以實(shí)施成無線傳輸裝置，其例如經(jīng)由藍(lán)牙或wlan、但是也例如經(jīng)由超聲波和光波發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式規(guī)定，包括兩個(gè)載體的堆疊結(jié)構(gòu)以機(jī)械方式與電池單體殼體的壁的外側(cè)連接。由此，堆疊結(jié)構(gòu)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(fā)明的一個(gè)改進(jìn)方案中，包括兩個(gè)載體的堆疊結(jié)構(gòu)在殼體的外側(cè)上布置在電池單體殼體的兩個(gè)電連接端之間。如所述地，殼體通常具有兩個(gè)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(jié)束的堆疊結(jié)構(gòu)有利地利用了極之間的空間。

可替代地，可設(shè)置成，包括兩個(gè)載體的堆疊結(jié)構(gòu)以機(jī)械和/或熱的方式與電池單體殼體的壁的內(nèi)側(cè)聯(lián)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(jié)構(gòu)。為了使堆疊結(jié)構(gòu)可靠地布置在電池單體殼體之內(nèi)，將堆疊結(jié)構(gòu)固定在電池單體殼體的內(nèi)壁上。在電池單體殼體由導(dǎo)熱材料、例如鋁制成的情況下可由此將通常在運(yùn)行中由微電子電路產(chǎn)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(huán)境。因此可以有利的方式冷卻堆疊結(jié)構(gòu)。

此外，本發(fā)明包括電池，該電池具有至少兩個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電池單體的串聯(lián)電路和/或并聯(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生命電池繼續(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。

其中：

圖1示出了電池單體的一個(gè)實(shí)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的示意圖；以及

圖4示出了具有微電子電路的另一堆疊結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

在附圖中，相同的以及功能相同的元件設(shè)有相同的附圖標(biāo)記。

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，其具有電元件2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。電池單體殼體3在此具有兩個(gè)暴露的或凸起的連接端4和5，經(jīng)由連接端可截取電能例如用于為電氣部件供電并且經(jīng)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(jīng)由連接端可使電池單體1與其他的同種類電池單體聯(lián)接成電池。這種電池例如可布置在此處未示出的機(jī)動(dòng)車中以用于驅(qū)動(dòng)該機(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電系統(tǒng)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(jiān)測(cè)電池單體1。設(shè)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(duì)此，微電子電路6和7中的每一個(gè)可包括至少一個(gè)所謂的單芯片系統(tǒng)或片上系統(tǒng)soc，其在圖2中示出。在單芯片系統(tǒng)soc中，在芯片9或半導(dǎo)體基底上布置各種各樣的元件8并且不同的元件通過聯(lián)接在一起而提供確定的功能性。元件8例如可為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元件、傳感器、存儲(chǔ)元件、邏輯電路、微處理器或通信裝置。對(duì)此，多個(gè)這種單芯片系統(tǒng)soc例如可經(jīng)由導(dǎo)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(jié)構(gòu)12，在堆疊結(jié)構(gòu)中第一載體10的上側(cè)13面對(duì)第二載體11的底側(cè)14。

在此，堆疊結(jié)構(gòu)12在電池單體殼體3之內(nèi)布置在空腔16中，空腔構(gòu)造在電池單體殼體3的壁的內(nèi)側(cè)15和電元件2之間。此外，堆疊結(jié)構(gòu)12與電池單體殼體3的內(nèi)側(cè)15熱耦合。因此，在運(yùn)行中由微電子電路6和7產(chǎn)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(huán)境中。

也能夠?qū)⒍询B結(jié)構(gòu)12安裝在電池單體殼體3的壁的外側(cè)17上。在這種情況下特別有利的是，將堆疊結(jié)構(gòu)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(nèi)可設(shè)置其他的部件18，例如溫度傳感器和/或壓力傳感器，其經(jīng)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(jīng)由這種無線連接19也可傳輸能量。對(duì)此例如可設(shè)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(gòu)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(gòu)造成所謂的納米發(fā)電機(jī)并因此從周圍環(huán)境中、例如從電池單體殼體3之內(nèi)的溫度梯度中獲取能量。

圖3示出了堆疊結(jié)構(gòu)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(gè)電接觸面24，電接觸面經(jīng)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(jié)構(gòu)12也稱為系統(tǒng)級(jí)封裝(sip)，在該堆疊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)12的剖視圖。對(duì)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(jīng)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(shí)施成系統(tǒng)級(jí)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(jī)械方式和電氣方式聯(lián)接，這通過使殼體底部30的電接觸面24經(jīng)由能導(dǎo)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(duì)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(chǔ)元件或存儲(chǔ)模塊。封裝體疊層也可包括多于兩個(gè)的封裝體。

通過使封裝體堆疊獲得以下優(yōu)點(diǎn)，各個(gè)微電子電路6、7、27、28可單獨(dú)地被測(cè)試。例如在微電子電路6、7、27、28中的其中一個(gè)的芯片soc發(fā)生故障時(shí)，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(gè)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(shí)例如位于上部的存儲(chǔ)芯片、即包括存儲(chǔ)模塊的上部封裝體在釬焊工藝之前可在存儲(chǔ)容量方面進(jìn)行變化。根據(jù)圖4的堆疊機(jī)構(gòu)12的另一優(yōu)點(diǎn)在于在兩個(gè)封裝體之間的短的接觸路徑。由此例如可以高的時(shí)鐘頻率運(yùn)行存儲(chǔ)器和兩個(gè)芯片之間的連接。

因?yàn)槿鐖D3和圖4所示的堆疊結(jié)構(gòu)12布置在電池單體殼體3之內(nèi)，殼體23、26、29優(yōu)選由耐腐蝕的材料制成，耐腐蝕的材料不會(huì)通過電元件2的電解液而受到損害或損壞。