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DE102015010342A1 - Battery cell for a battery assembly for permanent discharge after an overpressure event, in particular as a result of overheating, and method for operating a battery cell - Google Patents

Battery cell for a battery assembly for permanent discharge after an overpressure event, in particular as a result of overheating, and method for operating a battery cell Download PDF

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DE102015010342A1
DE102015010342A1 DE102015010342.3A DE102015010342A DE102015010342A1 DE 102015010342 A1 DE102015010342 A1 DE 102015010342A1 DE 102015010342 A DE102015010342 A DE 102015010342A DE 102015010342 A1 DE102015010342 A1 DE 102015010342A1
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Germany
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battery
cell
battery cell
electrical contact
interior
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Application number
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Inventor
Peter Haug
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) für eine Batterieanordnung umfassend ein Zellgehäuse (11) mit einer Druckausgleichsöffnung (12), einen ersten und einen zweiten Batteriepolanschluss (13, 14), ein in einem Innenraum (18) des Zellgehäuses (11) angeordnetes galvanisches Element (15), welches zwischen den ersten und den zweiten Batteriepolanschluss (13, 14) geschaltet ist, ein Kontaktelement (17), welches mit dem zweiten Batteriepolanschluss (14) elektrisch leitend gekoppelt ist, und eine verformbare, elektrisch leitfähige Membran (16), mit welcher die Druckausgleichsöffnung (12) verschlossen ist. Die Membran (16) ist mit dem ersten Batteriepolanschluss (13) elektrisch leitend gekoppelt und dazu ausgelegt, bei einer Druckerhöhung im Innenraum (18) des Zellgehäuses (11) an der Druckausgleichsöffnung (12) in Richtung eines Außenraums (19) des Zellgehäuses (11) verformt zu werden und dabei einen dauerhaften elektrischen Kontakt (21) mit dem Kontaktelement (17) herzustellen, wenn ein vorgebbarer Differenzdruck zwischen dem Innenraum (18) und dem Außenraum (19) überschritten ist. Die Batteriezelle (10) ist dazu ausgelegt, nach dem Herstellen des elektrischen Kontakts (21) das galvanische Element (15) über den elektrischen Kontakt (21) dauerhaft zu entladen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterieanordnung mit zumindest zwei elektrisch und/oder thermisch miteinander gekoppelten derartigen Batteriezellen sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Batteriezelle.The invention relates to a battery cell (10) for a battery arrangement comprising a cell housing (11) with a pressure equalization opening (12), a first and a second battery pole connection (13, 14), a galvanic one arranged in an interior space (18) of the cell housing (11) Element (15), which is connected between the first and the second battery terminal (13, 14), a contact element (17), which is electrically conductively coupled to the second battery terminal (14), and a deformable, electrically conductive membrane (16) , with which the pressure equalization opening (12) is closed. The membrane (16) is electrically conductively coupled to the first battery pole connection (13) and is designed, in the case of a pressure increase in the interior (18) of the cell housing (11) at the pressure compensation opening (12) in the direction of an outer space (19) of the cell housing (11 ) to be deformed and thereby produce a permanent electrical contact (21) with the contact element (17) when a predeterminable differential pressure between the interior (18) and the outer space (19) is exceeded. The battery cell (10) is designed to permanently discharge the galvanic element (15) via the electrical contact (21) after the electrical contact (21) has been produced. The invention further relates to a battery arrangement with at least two electrically and / or thermally coupled to each other such battery cells and a method for operating such a battery cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Batterieanordnung umfassend ein Zellgehäuse mit einer Druckausgleichsöffnung, einen ersten Batteriepolanschluss, einen zweiten Batteriepolanschluss, ein in einem Innenraum des Zellgehäuses angeordnetes galvanisches Element, welches zwischen dem ersten Batteriepolanschluss und dem zweiten Batteriepolanschluss geschaltet ist, ein Kontaktelement, welches mit dem zweiten Batteriepolanschluss elektrisch leitend gekoppelt ist, und eine verformbare, elektrisch leitfähige Membran, mit welcher die Druckausgleichsöffnung verschlossen ist. Die Membran ist mit dem ersten Batteriepolanschluss elektrisch leitend gekoppelt und dazu ausgelegt, bei einer Druckerhöhung im Innenraum des Zellgehäuses an der Druckausgleichsöffnung in Richtung eines Außenraums des Zellgehäuses verformt zu werden und dabei einen dauerhaften elektrischen Kontakt mit dem Kontaktelement herzustellen, wenn ein vorgebbarer Differenzdruck zwischen dem Innenraum und dem Außenraum überschritten ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterieanordnung mit zumindest zwei elektrisch und/oder thermisch miteinander gekoppelten derartigen Batteriezellen. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle für eine Batterieanordnung umfassend ein Zellgehäuse einschließlich einer mit einer verformbaren, elektrisch leitfähigen Membran verschlossenen Druckausgleichsöffnung, ein in einem Innenraum des Zellgehäuses angeordnetes und zwischen die Membran sowie ein Kontaktelement geschaltetes galvanisches Element, durch Herstellen eines dauerhaften elektrischen Kontakts der Membran mit dem Kontaktelement, wenn ein vorgebbarer Differenzdruck zwischen dem Innenraum und einem Außenraum überschritten ist, durch Verformen der Membran bei einer Druckerhöhung im Innenraum des Zellgehäuses an der Druckausgleichsöffnung in Richtung des Außenraums des Zellgehäuses.The invention relates to a battery cell for a battery arrangement comprising a cell housing having a pressure compensation opening, a first battery terminal, a second battery terminal, a disposed in an interior of the cell housing galvanic element, which is connected between the first battery terminal and the second battery terminal, a contact element, which with the second battery terminal is electrically conductively coupled, and a deformable, electrically conductive membrane, with which the pressure equalization opening is closed. The membrane is electrically conductively coupled to the first battery terminal and adapted to be deformed at an increase in pressure in the interior of the cell housing at the pressure equalization opening in the direction of an outer space of the cell housing and thereby produce a permanent electrical contact with the contact element, if a predetermined differential pressure between the Interior and the exterior space is exceeded. The invention further relates to a battery arrangement with at least two electrically and / or thermally coupled to each other such battery cells. Moreover, the invention relates to a method for operating a battery cell for a battery assembly comprising a cell housing including a sealed with a deformable, electrically conductive diaphragm pressure equalization opening, arranged in an interior of the cell housing and connected between the membrane and a contact element galvanic element, by producing a permanent electrical contact of the membrane with the contact element, when a predeterminable pressure difference between the interior and an outer space is exceeded, by deforming the membrane at a pressure increase in the interior of the cell housing at the pressure equalization opening in the direction of the outer space of the cell housing.

Batteriezellen zum Aufbau einer Batterieanordnung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, werden aufgrund der hohen Energiedichte bevorzugt auf der Basis von Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut. In diesem Zusammenhang ist mit Batterie eine elektrisch wiederaufladbare Batterie gemeint und folglich werden die Bezeichnungen Batterie und Akkumulator synonym verwendet.Battery cells for constructing a battery arrangement in a motor vehicle, in particular in an electric vehicle or a hybrid vehicle, are preferably built on the basis of lithium-ion cells due to the high energy density. In this context, by battery is meant an electrically rechargeable battery, and consequently the terms battery and rechargeable battery are used synonymously.

Lithium-Ionen-Zellen haben eine sehr hohe Energiedichte, welche sich aus der elektrischen und einem hohen Anteil chemischer Energie zusammensetzt. Im Falle einer äußeren Fehlbehandlung wie beispielsweise Kurzschluss, Deformierung, Überhitzung oder auch bei einem inneren Kurzschluss, beispielsweise infolge von Partikeln aufgrund einer Verunreinigung, kann eine solche Zelle überhitzen und diese Energie spontan freisetzen. Dies kann zu einem Brand der Batteriezelle oder sogar zu einer Explosion der Batteriezelle führen. Aufgrund der dichten Packung von Batteriezellen in einer Batterieanordnung, beispielsweise durch eine Stapelung von prismatischen Batteriezellen, kann hierbei eine thermische Ansteckung der benachbarten Batteriezellen auftreten, die dann wiederum spontan Energie freisetzt. Eine spontane Energiefreisetzung innerhalb einer Batteriezelle, welche als „Thermisches Durchgehen” (Thermal Runaway) bekannt ist, kann dann zu einer unkontrollierbaren Kettenreaktion innerhalb der Batterieanordnung führen. Hierdurch besteht ein hohes Gefährdungspotential für eine Person, die eine derartige Batteriezelle oder Batterieanordnung nutzt und sich demzufolge in deren Einwirkungsbereich aufhält.Lithium-ion cells have a very high energy density, which is composed of the electrical and a high proportion of chemical energy. In the case of external mishandling such as short circuit, deformation, overheating, or internal short circuit due, for example, to particles due to contamination, such cell may overheat and spontaneously release this energy. This can lead to a fire of the battery cell or even to an explosion of the battery cell. Due to the dense packing of battery cells in a battery arrangement, for example by a stacking of prismatic battery cells, a thermal contagion of the adjacent battery cells can occur in this case, which in turn spontaneously releases energy. Spontaneous energy release within a battery cell, known as "thermal runaway", can then lead to an uncontrollable chain reaction within the battery assembly. As a result, there is a high risk potential for a person who uses such a battery cell or battery assembly and consequently resides in their area of influence.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2012 200 868 A1 eine Batteriezelle mit einem Gehäuse und eine am Gehäuse angeordnete Überspannungsschutzvorrichtung bekannt. Die Überspannungsschutzvorrichtung umfasst einen Kontaktstift, der mit einer ersten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist und eine Membran, die über einer Gehäuseöffnung angeordnet und mit einer zweiten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist. Dabei sind Kontaktstift und Membran derart ausgebildet und angeordnet, dass die Membran durch einen Überdruck im Gehäuseinneren verformbar ist und die Membran den Kontaktstift im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert, so dass die Batteriezelle kurzgeschlossen ist. Die Überspannungsschutzvorrichtung weist eine Sicherung auf, die derart angeordnet ist, dass die Sicherung bei einem Kurzschluss der Batteriezelle durch die Überspannungsschutzvorrichtung auslöst und den Stromkreis in der Batteriezelle unterbricht. Die Überspannungsschutzvorrichtung weist eine Mehrzahl von Kontaktpunkten auf, über die die Membran den Kontaktstift im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert.In this context is from the DE 10 2012 200 868 A1 a battery cell with a housing and arranged on the housing overvoltage protection device known. The overvoltage protection device comprises a contact pin which is conductively connected to a first electrode of the battery cell and a membrane which is arranged above a housing opening and is conductively connected to a second electrode of the battery cell. In this case, the contact pin and membrane are designed and arranged such that the membrane is deformable by an overpressure in the housing interior and the membrane contacts the contact pin in the state of deformation electrically conductive, so that the battery cell is short-circuited. The overvoltage protection device has a fuse which is arranged such that the fuse triggers in the event of a short circuit of the battery cell by the overvoltage protection device and interrupts the circuit in the battery cell. The overvoltage protection device has a plurality of contact points, via which the membrane electrically contacts the contact pin in the state of deformation.

Nachteilig an einer derartigen Überspannungsschutzvorrichtung ist, dass eine Batteriezelle, bei der die Membran den Kontakt mit dem Kontaktstift hergestellt hat, nur eine teilweise Entladung der Batteriezelle erfolgt. Somit verbleibt ein großer Anteil der elektrisch gespeicherten Energie in der Batterieanordnung und kann bei einer spontanen Entladung freigesetzt werden.A disadvantage of such an overvoltage protection device is that a battery cell in which the membrane has made contact with the contact pin, only a partial discharge of the battery cell takes place. Thus, a large portion of the electrically stored energy remains in the battery assembly and may be released upon spontaneous discharge.

Ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriezelle für eine Batterieanordnung sowie eine Batterieanordnung mit zumindest zwei derartigen Batteriezellen und ein Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle bereitzustellen, mit denen das Sicherheitsniveau in einer Batterieanordnung verbessert werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a battery cell for a battery assembly and a battery assembly having at least two such battery cells and a method for operating a battery cell, with which the safety level can be improved in a battery assembly.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezelle für eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a battery cell for a battery assembly with the features of claim 1 and by a battery assembly with the features of claim 4 and by a method having the features of claim 5. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Einsetzen einer zusätzlichen Schmelzsicherung in dem Entladestromkreis der Batteriezelle eine dauerhafte Entladung des galvanischen Elements verhindert wird. Insbesondere verbleibt ein zu hoher Anteil der elektrischen Energie in der Batterieanordnung und steht für eine Ausbreitung in einer unkontrollierbaren Kettenreaktion zur Verfügung.The invention is based on the finding that a permanent discharge of the galvanic element is prevented by the insertion of an additional fuse in the discharge circuit of the battery cell. In particular, too much of the electrical energy remains in the battery pack and is available for propagation in an uncontrollable chain reaction.

Die Erfindung geht aus von einer Batteriezelle für eine Batterieanordnung umfassend ein Zellgehäuse mit einer Druckausgleichsöffnung, einen ersten Batteriepolanschluss, einen zweiten Batteriepolanschluss, ein in einem Innenraum des Zellgehäuses angeordnetes galvanisches Element, welches zwischen den ersten Batteriepolanschluss und den zweiten Batteriepolanschluss geschaltet ist, sowie ein Kontaktelement, welches mit dem zweiten Batteriepolanschluss elektrisch leitend gekoppelt ist und eine verformbare, elektrisch leitfähige Membran, mit welcher die Druckausgleichsöffnung verschlossen ist. Die Membran ist mit dem ersten Batteriepolanschluss elektrisch leitend gekoppelt und dazu ausgelegt, bei einer Druckerhöhung im Innenraum des Zellgehäuses an der Druckausgleichsöffnung in Richtung eines Außenraums des Zellgehäuses verformt zu werden und dabei einen dauerhaften elektrischen Kontakt mit dem Kontaktelement herzustellen, wenn ein vorgebbarer Differenzdruck zwischen dem Innenraum und dem Außenraum überschritten ist.The invention relates to a battery cell for a battery arrangement comprising a cell housing with a pressure compensation opening, a first battery terminal, a second battery terminal, a disposed in an interior of the cell housing galvanic element, which is connected between the first battery and the second battery terminal, and a contact element which is electrically conductively coupled to the second battery terminal and a deformable, electrically conductive membrane, with which the pressure equalization opening is closed. The membrane is electrically conductively coupled to the first battery terminal and adapted to be deformed at an increase in pressure in the interior of the cell housing at the pressure equalization opening in the direction of an outer space of the cell housing and thereby produce a permanent electrical contact with the contact element, if a predetermined differential pressure between the Interior and the exterior space is exceeded.

Die Batteriezelle wird erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Batteriezelle dazu ausgelegt ist, nach dem Herstellen des elektrischen Kontakts das galvanische Element über den elektrischen Kontakt dauerhaft zu entladen.The battery cell is inventively further developed in that the battery cell is designed to permanently discharge after the establishment of the electrical contact, the galvanic element via the electrical contact.

Hierbei wird vorteilhafterweise ein einmal aufgebauter elektrischer Kontakt zwischen der Membran und dem Kontaktelement dauerhaft aufrecht erhalten, auch wenn der vorgebbare Differenzdruck wieder unterschritten wird. Die Batteriezelle ist bevorzugt so konfiguriert, dass eine Herstellung des elektrischen Kontakts bereits dann erfolgt, wenn die betreffende Batteriezelle bereits infolge einer Überhitzung ohnehin irreversibel vorgeschädigt ist, und von dem Temperaturbereich eines thermischen Durchgehens (Thermal Runaway) noch so weit entfernt ist, dass durch die zusätzliche durch das Entladen des galvanischen Elements freigesetzte Wärmeenergie das notwendige Temperaturniveau für ein Starten eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle nicht erreicht wird.In this case, a once established electrical contact between the membrane and the contact element is advantageously maintained permanently, even if the predefinable differential pressure is fallen below again. The battery cell is preferably configured so that a production of the electrical contact already takes place when the battery cell in question is already irreversibly pre-damaged due to overheating, and is still so far away from the temperature range of a thermal runaway that by additional thermal energy released by the discharge of the galvanic element does not reach the necessary temperature level for starting thermal runaway of the battery cell.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Batteriezelle ein Widerstandselement zur Begrenzung des Entladestroms in Abhängigkeit von einer Quellenspannung des galvanischen Elements auf. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Entladestrom durch die Batteriezelle begrenzt werden, wenn durch die Art der Gestaltung der Batteriezelle und/oder des galvanischen Elements eine sichere Entladung über einen vollständigen Kurzschluss nicht thermisch beherrschbar ist. Bevorzugt kann dabei das Widerstandselement auch ein Teil des Kontaktelements sein. Insbesondere kann das Kontaktelement vollständig als widerstandsbehaftetes Kontaktelement ausgeführt sein.In an advantageous development, the battery cell has a resistance element for limiting the discharge current as a function of a source voltage of the galvanic element. As a result, a discharge current can be limited by the battery cell in an advantageous manner, if by the nature of the design of the battery cell and / or the galvanic element a safe discharge over a complete short circuit is not thermally controlled. In this case, the resistance element may also be part of the contact element. In particular, the contact element can be designed completely as a resistive contact element.

Bevorzugt ist das Widerstandselement als PTC ausgebildet.The resistance element is preferably designed as a PTC.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kontaktelement L-förmig ausgebildet und ragt mit seinem distalen Ende in die Druckausgleichsöffnung. Ausgehend von einem zentralen Koppelpunkt, an welchem das Kontaktelement direkt oder über ein Widerstandselement elektrisch leitend mit dem zweiten Batteriepolanschluss gekoppelt ist, weist die dazu abgewandte Seite des Kontaktelements zu der Druckausgleichsöffnung und somit auch zu der Membran hin. Auf diese Weise kann ein kompakter Aufbau der Batteriezelle erzielt werden.In a preferred embodiment, the contact element is L-shaped and protrudes with its distal end into the pressure equalization opening. Starting from a central coupling point, at which the contact element is electrically or directly coupled via a resistive element to the second battery terminal, the side facing away from the contact element to the pressure compensation opening and thus also to the membrane. In this way, a compact construction of the battery cell can be achieved.

Eine erfindungsgemäße Batterieanordnung umfasst bevorzugt zumindest zwei elektrisch und/oder thermisch miteinander gekoppelten erfindungsgemäßen Batteriezellen, wobei die Batterieanordnung dazu ausgelegt ist, mittels einer infolge einer defekten und/oder elektrisch überlasteten ersten Batteriezelle der zumindest zwei Batteriezellen auftretenden Übertemperatur eine Druckerhöhung im Innenraum des Zellgehäuses einer zweiten Batteriezelle der zumindest zwei Batteriezellen des galvanischen Elements der zweiten Batteriezelle zu entladen.A battery arrangement according to the invention preferably comprises at least two electrically and / or thermally coupled battery cells according to the invention, wherein the battery arrangement is designed by means of an occurring as a result of a defective and / or electrically overloaded first battery cell of the at least two battery cells overtemperature an increase in pressure in the interior of the cell housing a second Battery cell of the at least two battery cells of the galvanic element of the second battery cell to discharge.

Hierdurch ergibt sich eine Teil- beziehungsweise vollständige Entladung einzelner oder aller Zellen nach Auftreten des thermischen Durchgehens einer Zelle, um eine Kettenreaktion zu entschleunigen oder ganz zu stoppen. Im Falle einer an der ersten Batteriezelle auftretenden Übertemperatur und in deren Folge einer Druckerhöhung insbesondere aufgrund eines thermischen Durchgehens der ersten Batteriezelle, ergibt sich eine ausbreitende Temperaturerhöhung über die Batterieanordnung beispielsweise durch elektrisch leitende Verbindungselemente zwischen den einzelnen Batteriepolen der Batteriezellen, welche innerhalb der Batterieanordnung miteinander verschaltet sind, und/oder durch den direkten Kontakt benachbarter, durch ein elektrisches isolierendes Medium galvanisch voneinander getrennter Zellgehäuse und/oder durch einen Kühl- und/oder Heizkreislauf, welcher zur Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebstemperatur der Batteriezellen eingesetzt sein kann. Somit wird eine zweite Batteriezelle aufgrund einer thermischen Einwirkung seitens der ersten Batteriezelle zur Herstellung des dauerhaften elektrischen Kontakts ihres Kontaktelements mit ihrer Membran veranlasst. Die zweite Batteriezelle kann insbesondere hierbei schon selbst einen irreversiblen Schaden nehmen, wobei vorgesehen ist, dass die zweite Batteriezelle selbst nicht mehr in den Zustand eines thermischen Durchgehens getrieben wird. Bevorzugt wird die in der zweiten Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie beim Entladen kontrolliert freigesetzt, um diese bereits vor der Ausbildung einer unkontrollierbaren Kettenreaktion aus der Batterieanordnung, beispielsweise über den Kühl-Heizkreislauf abzuführen. Über eine geeignete Dimensionierung eines Widerstandselements in dem jeweiligen Entladekreis der einzelnen Batteriezellen, welches in Zusammenwirkung mit der Kapazität der jeweiligen Batteriezelle bevorzugt so abgestimmt ist, dass in der Aufbauphase einer Kettenreaktion so viel Energie aus der Batteriezelle abgeführt wird, um eine vollständige Ausbildung der Kettenreaktion zu verhindern. Typischerweise liegt der Bereich, in dem es zur Ausbildung einer derartigen Kettenreaktion kommt, im Sekundenbereich bis Minutenbereich, insbesondere im Bereich von ca. 30 Sekunden bis zu einigen Minuten. Mit anderen Worten wird bereits schon so viel Energie aus der Batteriezelle abgeführt, bevor diese in den kritischen Bereich des thermischen Durchgehens kommen kann. Somit wird ermöglicht, dass die innerhalb der Batterieanordnung zu einem jeweiligen Zeitpunkt freie thermische Energie, insbesondere im Hinblick auf deren lokale Ausdehnung, jederzeit „unterkritisch” bleibt. Somit kann zuverlässig eine Verhinderung oder zumindest eine Entschleunigung der Kettenreaktion in einer Batterieanordnung, insbesondere einer Anordnung von Lithium-Ionen-Zellen erfolgen.This results in a partial or complete discharge of individual or all cells after the occurrence of the thermal runaway of a cell to decelerate a chain reaction or stop altogether. In the case of an overtemperature occurring at the first battery cell and as a result of pressure increase, in particular due to thermal runaway of the first battery cell, there is a spreading temperature increase over the battery assembly, for example, by electrically conductive connecting elements between the individual battery terminals of the battery cells, which within the battery assembly interconnected with each other, and / or by the direct contact of adjacent, by an electrically insulating medium galvanically separated cell housing and / or by a cooling and / or heating circuit, which may be used to maintain an optimum operating temperature of the battery cells. Thus, a second battery cell is caused due to a thermal effect on the part of the first battery cell for producing the permanent electrical contact of its contact element with its membrane. In this case, the second battery cell may in particular itself be subject to irreversible damage, it being provided that the second battery cell itself is no longer driven into the state of thermal runaway. The electrical energy stored in the second battery cell is preferably released in a controlled manner during discharging in order to discharge it from the battery arrangement, for example via the cooling heating circuit, before the formation of an uncontrollable chain reaction. About a suitable dimensioning of a resistive element in the respective discharge circuit of the individual battery cells, which is preferably tuned in cooperation with the capacity of the respective battery cell so that in the build-up phase of a chain reaction so much energy is dissipated from the battery cell to complete training of the chain reaction prevent. Typically, the range in which such a chain reaction occurs is in the range of seconds to minutes, in particular in the range of about 30 seconds to several minutes. In other words, so much energy is already dissipated from the battery cell before it can come into the critical range of thermal runaway. This makes it possible for the thermal energy which is free within the battery arrangement at any given time to remain "subcritical" at any time, in particular with regard to its local extent. Thus, a prevention or at least a deceleration of the chain reaction in a battery arrangement, in particular an arrangement of lithium-ion cells, can take place reliably.

Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle für eine Batterieanordnung umfassend ein Zellgehäuse einschließlich einer mit einer verformbaren, elektrisch leitfähigen Membran verschlossenen Druckausgleichsöffnung, ein in einem Innenraum des Zellgehäuses angeordnetes und zwischen die Membran sowie ein Kontaktelement geschaltetes galvanisches Element, durch ein Herstellen eines dauerhaften elektrischen Kontakts der Membran mit dem Kontaktelement, wenn ein vorgebbarer Differenzdruck zwischen dem Innenraum und einem Außenraum überschritten ist, durch Verformen der Membran bei einer Druckerhöhung im Innenraum des Zellgehäuses an der Druckausgleichsöffnung in Richtung des Außenraums des Zellgehäuses. Erfindungsgemäß wird das Verfahren weitergebildet durch ein dauerhaftes Entladen des galvanischen Elements über den elektrischen Kontakt nach dem Herstellen des elektrischen Kontakts.The invention is further based on a method for operating a battery cell for a battery arrangement comprising a cell housing including a sealed with a deformable, electrically conductive membrane pressure equalization opening, arranged in an interior of the cell housing and between the membrane and a contact element switched galvanic element by Producing a permanent electrical contact of the membrane with the contact element when a predeterminable differential pressure between the interior and an outer space is exceeded, by deforming the membrane at a pressure increase in the interior of the cell housing at the pressure equalization opening in the direction of the outer space of the cell housing. According to the invention, the method is further developed by a permanent discharge of the galvanic element via the electrical contact after establishing the electrical contact.

Die für die erfindungsgemäße Batteriezelle und die erfindungsgemäße Batterieanordnung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.The advantages and features and embodiments described for the battery cell according to the invention and the battery arrangement according to the invention apply equally to the method according to the invention and vice versa. Consequently, corresponding device features and vice versa can be provided for device features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, und 1 a simplified schematic representation of a preferred embodiment of a battery cell according to the invention, and

2 eine Detailansicht der Batteriezelle gemäß der Darstellung in 1 mit einem hergestellten elektrischen Kontakt. 2 a detailed view of the battery cell as shown in FIG 1 with a manufactured electrical contact.

1 zeigt eine Batteriezelle 10 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem elektrisch leitfähigen Zellgehäuse 11, welches eine Druckausgleichsöffnung 12 aufweist. Ein erster Batteriepolanschluss 13 und ein zweiter Batteriepolanschluss 14 dienen zur elektrischen Kontaktierung eines innerhalb des Zellgehäuses 11 angeordneten galvanischen Elements 15. Der erste Batteriepolanschluss 13 ist mit dem Zellgehäuse 11 elektrisch leitend verbunden, wohingegen der zweite Batteriepolanschluss 14 von dem Zellgehäuse 11 elektrisch isoliert angeordnet ist. Die Druckausgleichsöffnung 12 ist mit einer elektrisch leitfähigen Membran 16 verschlossen, welche elektrisch leitend mit dem ersten Batteriepolanschluss 13 gekoppelt ist. In die Druckausgleichsöffnung 12 ragt weiterhin ein Kontaktelement 17, wobei in einem Ausgangszustand der Batteriezelle 10 kein elektrischer Kontakt zwischen der elektrisch leitfähigen Membran 16 und dem Kontaktelement 17 besteht. Das Kontaktelement 17 ist elektrisch leitend mit dem zweiten Batteriepolanschluss 14 gekoppelt, wobei in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Widerstandselement 20 zwischen das Kontaktelement 17 und den zweiten Batteriepolanschluss 14 geschaltet ist. Bevorzugt kann das Widerstandselement 20 die mechanische Haltefunktion für das Kontaktelement 17 übernehmen. Das Kontaktelement 17 kann insbesondere mit dem Widerstandselement 20 kombiniert sein und insgesamt als L-förmiges Element vorliegen. Es kann auch vorgesehen sein, dass innerhalb des Kontaktelements 17 an beliebiger Stelle eine entsprechende widerstandsbehaftete Kontaktstrecke ausgebildet ist. Die elektrisch leitfähige Membran 16 sowie das Zellgehäuse 14 trennen einen Innenraum 18 des Zellgehäuses 11 von einem Außenraum 19 des Zellgehäuses 11. 1 shows a battery cell 10 according to a preferred embodiment of the invention with an electrically conductive cell housing 11 which has a pressure equalization opening 12 having. A first battery pole connection 13 and a second battery terminal 14 serve to make electrical contact with one within the cell housing 11 arranged galvanic element 15 , The first battery terminal 13 is with the cell case 11 electrically connected, whereas the second battery terminal 14 from the cell case 11 is arranged electrically isolated. The pressure compensation opening 12 is with an electrically conductive membrane 16 closed, which is electrically conductive with the first Batteriepolanschluss 13 is coupled. In the pressure equalization opening 12 continues to protrude a contact element 17 , wherein in an initial state of the battery cell 10 no electrical contact between the electrically conductive membrane 16 and the contact element 17 consists. The contact element 17 is electrically conductive with the second battery terminal 14 coupled, wherein in the preferred Embodiment, a resistance element 20 between the contact element 17 and the second battery terminal 14 is switched. Preferably, the resistance element 20 the mechanical holding function for the contact element 17 take. The contact element 17 can in particular with the resistive element 20 be combined and present overall as an L-shaped element. It can also be provided that within the contact element 17 at any point a corresponding resistive contact path is formed. The electrically conductive membrane 16 as well as the cell case 14 separate an interior 18 of the cell housing 11 from an outdoor space 19 of the cell housing 11 ,

2 zeigt die Membran 16 nach der Verformung infolge eines Differenzdrucks zwischen dem Innenraum 18 und dem Außenraum 19, wobei ein elektrischer Kontakt 21 zwischen der elektrisch leitfähigen Membran 16 und dem Kontaktelement 17 hergestellt ist. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Membran 16 bistabil ausgelegt ist, das heißt bei einer Druckentlastung mit einem nicht vorhandenen oder geringen Druckunterschied zwischen dem Innenraum 18 und dem Außenraum 19 in der kontaktherstellenden Position zu verbleiben. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass an der Stelle des elektrischen Kontakts 21 nach der Ausbildung des elektrischen Kontakts 21 eine nicht mehr zerstörungsfrei lösbare Verbindung hergestellt ist. 2 shows the membrane 16 after deformation due to a differential pressure between the interior 18 and the outside space 19 , being an electrical contact 21 between the electrically conductive membrane 16 and the contact element 17 is made. It can preferably be provided that the membrane 16 is designed bistable, that is at a pressure relief with a non-existent or low pressure difference between the interior 18 and the outside space 19 to remain in the contact-making position. Alternatively or additionally, it may also be provided that at the location of the electrical contact 21 after the formation of the electrical contact 21 a non-destructive releasable connection is made.

Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürlich Ausgestaltungen der Batteriezelle 10, insbesondere im Zusammenhang mit der Ausbildung des elektrischen Kontakts 21, beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.The embodiment is merely illustrative of the invention and is not limitative of it. So, of course, embodiments of the battery cell 10 , in particular in connection with the formation of the electrical contact 21 be arbitrarily designed without departing from the spirit of the invention.

Somit wurde voranstehend eine Methode zur spontanen Entladung einer Batteriezelle 10, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, im Falle einer Überhitzung dargestellt, welche zur Verhinderung oder zumindest zu einer Entschleunigung der Kettenreaktion in einer Batterieanordnung, insbesondere in einer Lithium-Ionen-Batterie-Anordnung, geeignet ist.Thus, above has been a method for spontaneously discharging a battery cell 10 , in particular a lithium-ion cell, in the case of overheating, which is suitable for preventing or at least for decelerating the chain reaction in a battery arrangement, in particular in a lithium-ion battery arrangement.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Batteriezellebattery cell
1111
Zellgehäusecell case
1212
DruckausgleichsöffnungPressure equalization port
1313
erster Batteriepolanschlussfirst battery pole connection
1414
zweiter Batteriepolanschlusssecond battery pole connection
1515
galvanisches Elementgalvanic element
1616
Membranmembrane
1717
Kontaktelementcontact element
1818
Innenrauminner space
1919
Außenraumouter space
2020
Widerstandselementresistive element
2121
elektrischer Kontaktelectric contact

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012200868 A1 [0004] DE 102012200868 A1 [0004]

Claims (5)

Batteriezelle (10) für eine Batterieanordnung umfassend – ein Zellgehäuse (11) mit einer Druckausgleichsöffnung (12), – einen ersten Batteriepolanschluss (13), – einen zweiten Batteriepolanschluss (14), – ein in einem Innenraum (18) des Zellgehäuses (11) angeordnetes galvanisches Element (15), welches zwischen den ersten Batteriepolanschluss (13) und den zweiten Batteriepolanschluss (14) geschaltet ist, – ein Kontaktelement (17), welches mit dem zweiten Batteriepolanschluss (13) elektrisch leitend gekoppelt ist, und – eine verformbare, elektrisch leitfähige Membran (16), mit welcher die Druckausgleichsöffnung (12) verschlossen ist, wobei die Membran (16) mit dem ersten Batteriepolanschluss (13) elektrisch leitend gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, bei einer Druckerhöhung im Innenraum (18) des Zellgehäuses (11) an der Druckausgleichsöffnung (12) in Richtung eines Außenraums (19) des Zellgehäuses (11) verformt zu werden und dabei einen dauerhaften elektrischen Kontakt (21) mit dem Kontaktelement (17) herzustellen, wenn ein vorgebbarer Differenzdruck zwischen dem Innenraum (18) und dem Außenraum (19) überschritten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) dazu ausgelegt ist, nach dem Herstellen des elektrischen Kontakts (21) das galvanische Element (15) über den elektrischen Kontakt (21) dauerhaft zu entladen.Battery cell ( 10 ) for a battery assembly comprising - a cell housing ( 11 ) with a pressure compensation opening ( 12 ), - a first battery terminal ( 13 ), - a second battery terminal ( 14 ), - one in an interior ( 18 ) of the cell housing ( 11 ) arranged galvanic element ( 15 ), which is connected between the first battery terminal ( 13 ) and the second battery terminal ( 14 ), - a contact element ( 17 ) connected to the second battery terminal ( 13 ) is electrically conductively coupled, and - a deformable, electrically conductive membrane ( 16 ), with which the pressure compensation opening ( 12 ) is closed, wherein the membrane ( 16 ) with the first battery pole connection ( 13 ) is electrically conductively coupled and is adapted to a pressure increase in the interior ( 18 ) of the cell housing ( 11 ) at the pressure compensation opening ( 12 ) in the direction of an outdoor space ( 19 ) of the cell housing ( 11 ) and thereby a permanent electrical contact ( 21 ) with the contact element ( 17 ), if a specifiable differential pressure between the interior ( 18 ) and the outdoor space ( 19 ) Is exceeded, characterized in that the battery cell ( 10 ) is adapted, after the establishment of the electrical contact ( 21 ) the galvanic element ( 15 ) via the electrical contact ( 21 ) to discharge permanently. Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Widerstandselement (20) zur Begrenzung eines sich in Abhängigkeit von einer Quellenspannung des galvanischen Elements (15) einstellenden Entladestroms beim Entladen des galvanischen Elements (15).Battery cell ( 10 ) according to claim 1, characterized by a resistance element ( 20 ) for limiting a function of a source voltage of the galvanic element ( 15 ) adjusting discharge current when discharging the galvanic element ( 15 ). Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (17) L-förmig ausgebildet ist und mit seinem distalen Ende in die Druckausgleichsöffnung (12) ragt.Battery cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the contact element ( 17 ) Is L-shaped and with its distal end in the pressure compensation opening ( 12 protrudes. Batterieanordnung mit zumindest zwei elektrisch und/oder thermisch miteinander gekoppelten Batteriezellen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieanordnung dazu ausgelegt ist, im Fall einer infolge einer defekten und/oder elektrisch überlasteten ersten Batteriezelle der zumindest zwei Batteriezellen auftretenden lokalen Überhitzung der Batterieanordnung mittels einer aufgrund der lokalen Überhitzung entstehenden Druckerhöhung im Innenraum des Zellgehäuses einer zweiten Batteriezelle der zumindest zwei Batteriezellen einen dauerhaften elektrischen Kontakt in der zweiten Batteriezelle herzustellen und über diesen dauerhaften elektrischen Kontakt das galvanischen Element der zweiten Batteriezelle zu entladen.Battery arrangement with at least two electrically and / or thermally coupled battery cells ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the battery arrangement is designed, in the case of a locally due to a defective and / or electrically overloaded first battery cell of the at least two battery cells occurring local overheating of the battery assembly by means of a resulting due to local overheating pressure increase in the interior of the Cell housing a second battery cell of the at least two battery cells to make a permanent electrical contact in the second battery cell and to discharge the galvanic element of the second battery cell via this permanent electrical contact. Verfahren zum Betreiben einer Batteriezelle (10) für eine Batterieanordnung umfassend ein Zellgehäuse (11) einschließlich einer mit einer verformbaren, elektrisch leitfähigen Membran (16) verschlossenen Druckausgleichsöffnung (12), ein in einem Innenraum (18) des Zellgehäuses (11) angeordnetes und zwischen die Membran (16) sowie ein Kontaktelement (17) geschaltetes galvanisches Element (15), durch: – Herstellen eines dauerhaften elektrischen Kontakts (21) der Membran (16) mit dem Kontaktelement (17), wenn ein vorgebbarer Differenzdruck zwischen dem Innenraum (18) und einem Außenraum (19) überschritten ist, durch Verformen der Membran (16) bei einer Druckerhöhung im Innenraum (18) des Zellgehäuses (11) an der Druckausgleichsöffnung (12) in Richtung des Außenraums (19) des Zellgehäuses (11), gekennzeichnet durch – dauerhaftes Entladen des galvanischen Elements (15) über den elektrischen Kontakt (21) nach dem Herstellen des elektrischen Kontakts (21).Method for operating a battery cell ( 10 ) for a battery assembly comprising a cell housing ( 11 ) including one with a deformable, electrically conductive membrane ( 16 ) closed pressure equalization opening ( 12 ), one in an interior ( 18 ) of the cell housing ( 11 ) and between the membrane ( 16 ) and a contact element ( 17 ) switched galvanic element ( 15 ), by: - establishing a permanent electrical contact ( 21 ) of the membrane ( 16 ) with the contact element ( 17 ), if a specifiable differential pressure between the interior ( 18 ) and an outdoor space ( 19 ) is exceeded by deforming the membrane ( 16 ) at a pressure increase in the interior ( 18 ) of the cell housing ( 11 ) at the pressure compensation opening ( 12 ) in the direction of the outside space ( 19 ) of the cell housing ( 11 ), characterized by - permanent discharge of the galvanic element ( 15 ) via the electrical contact ( 21 ) after establishing the electrical contact ( 21 ).
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