DE102012208470A1 - Device and method for disconnecting and / or bridging connections for a battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen (110, 120, 250) für eine Batteriezelle (300), wobei die Vorrichtung (100) einen ersten Elektrodenanschluss (110) aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss (110) über die Vorrichtung (100) mit einem ersten Anschluss (120) verbindbar ist. Die Vorrichtung (100) umfasst ein Schaltelement (130), wobei das Schaltelement (130) ausgebildet ist, in einem primären Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss (110) und dem ersten Anschluss (120) herzustellen und in einem anderen Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss (110) und dem ersten Anschluss (120) zu unterbrechen. Ferner umfasst die Vorrichtung (100) einen zerstörbaren Körper (140), wobei der zerstörbare Körper (140) eine nicht-lineare Kennlinie aufweist, wobei die Kennlinie einen Zusammenhang zwischen einer physikalischen Größe und der Festigkeit des zerstörbaren Körpers (140) repräsentiert, wobei der zerstörbare Körper (140) ausgebildet ist, in einem intakten Zustand das Schaltelement (130) im primären Schaltzustand zu halten und in einem zerstörten Zustand ein Umschalten des Schaltelements (130) in den anderen Schaltzustand zu bewirken.The invention relates to a device (100) for disconnecting and / or bridging connections (110, 120, 250) for a battery cell (300), wherein the device (100) has a first electrode connection (110), wherein the first electrode connection (110 ) is connectable to a first port (120) via the device (100). The device (100) comprises a switching element (130), wherein the switching element (130) is designed to establish an electrical connection between the first electrode terminal (110) and the first terminal (120) in a primary switching state and in another switching state the electrical Interrupt connection between the first electrode terminal (110) and the first terminal (120). Further, the apparatus (100) comprises a destructible body (140), the destructible body (140) having a non-linear characteristic, the characteristic representing a relationship between a physical quantity and the strength of the destructible body (140) destructible body (140) is designed to keep the switching element (130) in the primary switching state in an intact state and to effect a switching of the switching element (130) in the other switching state in a destroyed state.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle.The present invention relates to a device for uncoupling and / or bridging connections for a battery cell.
Eine Batteriezelle wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie sollte nicht über das erlaubte Maximum hinaus weiter geladen werden. Um dies zu verhindern, werden die Anschlüsse der Zelle entweder abgetrennt (Schütz) oder überbrückt. Ebenso kann die Überbrückung einer geschädigten bzw. sensorisch messbar leistungsschwachen Zelle sinnvoll sein, um die Gesamtleistung der Batterie zu steigern. Stand der Technik sind passive mechanische Bauelemente, welche z. B. durch einen Überdruck in der Zelle (irreversibel) verformt und dadurch ausgelöst werden. Übliche Bezeichnungen sind z. B. englischsprachige Begriffe wie „overcharge protection circuit", „overcharge safety device" (OSD) oder „current interrupt device" (CID). Im Folgenden wird der Begriff OSD stellvertretend für alle Ausführungsformen dieser Schutzeinrichtungen nach dem Stand der Technik verwendet.A battery cell such as a lithium-ion battery should not be charged beyond the maximum allowed. To prevent this, the cell's connections are either disconnected (contactor) or bypassed. Similarly, the bridging of a damaged or sensory measurable low-power cell may be useful to increase the overall performance of the battery. State of the art are passive mechanical components, which z. B. by an overpressure in the cell (irreversible) deformed and thereby triggered. Common names are z. For example, terms such as "overcharge protection circuit", "overcharge safety device" (OSD) or "current interrupt device" (CID) are used in the following: The term OSD is used to represent all embodiments of these protective devices according to the prior art.
Stand der Technik sind ebenfalls Glasampullen, welche bei Brandschutzsprinkleranlagen bei einer vorbestimmten Temperatur zerplatzen und die Sprinkler aktivieren. Laut APIS-Vorschlag ist auch die Verwendung als thermische Sicherung in der Elektrotechnik Stand der Technik.State of the art are also glass ampoules, which burst in fire sprinkler systems at a predetermined temperature and activate the sprinklers. According to the APIS proposal, the use as a thermal fuse in electrical engineering is state of the art.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen einer Vorrichtung für eine Batteriezelle gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, a device for disconnecting and / or bridging connections for a battery cell as well as a method for decoupling and / or bridging connections of a device for a battery cell according to the main claims is presented with the present invention. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Die Erfindung betrifft gemäß einer Ausführungsform eine Vorrichtung, welche in eine Batteriezelle (z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges) eingebaut werden kann und dazu dient, die Anschlüsse intern abzutrennen, beziehungsweise zu überbrücken. In der Vorrichtung ist ein mechanisches Sicherheitselement bestehend aus einem zerstörbaren Körper und einem Schaltelement integriert, welches durch Änderung einer physikalischen Größe wie beispielsweise Temperatur oder Druck ausgelöst werden kann. Vorteilhafterweise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf verschiedene physikalische Größen reagieren.According to one embodiment, the invention relates to a device which can be installed in a battery cell (for example lithium-ion battery of an electric vehicle) and serves to separate or bridge the connections internally. In the device, a mechanical security element is integrated consisting of a destructible body and a switching element, which can be triggered by changing a physical quantity such as temperature or pressure. Advantageously, a device according to the invention can respond to different physical quantities.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle, wobei die Vorrichtung einen ersten Elektrodenanschluss aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss über die Vorrichtung mit einem ersten Anschluss verbindbar ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Schaltelement, wobei das Schaltelement ausgebildet ist, in einem primären Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss herzustellen und in einem anderen Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss zu unterbrechen,
einen zerstörbaren Körper, wobei der zerstörbare Körper eine nicht-lineare Kennlinie aufweist, wobei die Kennlinie einen Zusammenhang zwischen einer physikalischen Größe und der Festigkeit des zerstörbaren Körpers repräsentiert, wobei der zerstörbare Körper ausgebildet ist, in einem intakten Zustand das Schaltelement in dem primären Schaltzustand zu halten und in einem zerstörten Zustand ein Umschalten des Schaltelementes in den anderen Schaltzustand zu bewirken.The present invention provides a device for disconnecting and / or bridging connections for a battery cell, the device having a first electrode connection, wherein the first electrode connection can be connected to a first connection via the device, the device having the following features:
a switching element, wherein the switching element is designed to establish an electrical connection between the first electrode connection and the first connection in a primary switching state and to interrupt the electrical connection between the first electrode connection and the first connection in another switching state,
a destructible body, the destructible body having a non-linear characteristic, the characteristic representing a relationship between a physical quantity and the strength of the destructible body, the destructible body being configured to, in an intact condition, the switching element in the primary switching state hold and cause a switching of the switching element in the other switching state in a destroyed state.
Unter einer Batteriezelle kann ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie wie beispielsweise ein Akkumulator verstanden werden. Unter einer Batteriezelle kann eine wiederaufladbare Sekundärzelle, Sekundärelement beziehungsweise ein Akkumulator verstanden werden. Batteriezellen können in einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung in einer Batterie verbunden sein. Eine aus Batteriezellen aufgebaute Batterie kann in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen ein sonstiges Nutzfahrzeug, ein Förderzeug oder ein Wasserfahrzeug wie ein Boot handeln. Das Fahrzeug kann mit einem Hybrid-Antrieb ausgestattet sein oder es kann sich um ein Elektrofahrzeug handeln. Das Fahrzeug kann zumindest eine Batterie als Starterbatterie und/oder Traktionsbatterie aufweisen. Eine Vorrichtung kann aus einem Schaltelement und einem zerstörbaren Körper bestehen oder zumindest diese beiden Elemente umfassen. Die Vorrichtung kann als eine elektromechanische Einheit und/oder mechanisches Sicherheitselement und/oder elektro-mechanisches Sicherheitselement bezeichnet werden. Die Vorrichtung kann als eine separate Einheit existieren oder alternativ fester Bestandteil einer Batteriezelle sein. Der Elektrodenanschluss der Vorrichtung kann ausgebildet sein, mit einem Elektrodenanschluss eines galvanischen Elements einer Batteriezelle verbunden zu werden. Der erste Anschluss der Vorrichtung kann ausgebildet sein, mit einem externen Anschluss einer Batteriezelle verbunden zu werden. Das Schaltelement der Vorrichtung kann zumindest zwei Schaltzustände aufweisen. Das Schaltelement kann von einem intakten zerstörbaren Körper in einem primären Schaltzustand gehalten werden. In dem primären Schaltzustand kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss der Vorrichtung hergestellt sein. Das Schaltelement kann einen anderen Schaltzustand aufweisen. In dem anderen Schaltzustand kann die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss unterbrochen sein. Das Schaltelement kann von dem primären Schaltzustand in den anderen Schaltzustand wechseln, wenn der zerstörbare Körper nicht intakt, d. h. zerstört ist. Bei dem zerstörbaren Körper kann es sich um einen Hohlkörper und/oder um eine Ampulle handeln, die eine Schale aufweist, die eine höhere Festigkeit als ein Inneres des Körpers aufweist. Der zerstörbare Körper kann in seinem Inneren zumindest ein Fluid aufweisen. Der zerstörbare Körper kann in seinem Inneren auch zumindest zwei Fluide mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Weist der Körper zumindest zwei Fluide in seinem Inneren auf, so kann ein Fluid eine Flüssigkeit und ein zumindest zweites Fluid ein gasförmiges Fluid wie beispielsweise Luft sein. Der zerstörbare Körper kann aus einem Material bestehen, welches eine nicht-lineare Kennlinie aufweist. Die nicht-lineare Kennlinie kann die Abhängigkeit der Festigkeit in Bezug auf eine physikalische Größe darstellen. Unter einer Festigkeit kann dabei eine Eigenschaft des Körpers verstanden werden, die eine Veränderung der ursprünglichen Form des Körpers ohne Einwirkung der physikalischen Größe repräsentiert; der Köper sich also bei Einwirkung unterschiedlich starker Ausprägungen der physikalischen Größe unterschiedlich stark (d. h. nicht-linear) verformt. Unter einer physikalischen Größe kann beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, eine Vibration, ein Schlag und/oder eine Beschleunigung verstanden werden. Unter dem intakten Zustand des zerstörbaren Körpers kann seine Grundform und oder eine nicht zerstörte Form des zerstörbaren Körpers verstanden werden. Der zerstörbare Körper kann irreversibel verformt werden und/oder zerstört werden. Das Auslösen des zerstörbaren Körpers als mechanisches Sicherheitselement kann dabei die Anschlüsse, beispielsweise einer Batteriezelle, abkoppeln. Von Vorteil ist, dass durch den hier vorgestellten Ansatz ein gefährlicher Zustand, beispielsweise bei Einsatz in einer Batteriezelle ein gefährlicher Zustand der Batteriezelle, wie starker Druckanstieg, drohender thermischer Ausreißer, oder „thermal runaway“, verhindert werden kann, in dem die Vorrichtung als passiver Schutzmechanismus eine Überbrückung herbeiführen kann. Die Vorrichtung kann gleichzeitig oder alternativ auf unterschiedliche gefährliche Zustände wie beispielsweise Temperaturanstieg und/oder Druckanstieg reagieren.A battery cell may be understood as a rechargeable storage for electrical energy, such as an accumulator. A battery cell can be understood as meaning a rechargeable secondary cell, secondary element or an accumulator. Battery cells may be connected in a series circuit and / or a parallel connection in a battery. A built-up of battery cells battery can be used in a vehicle. The vehicle may be a motor vehicle, such as a passenger car, a truck, another commercial vehicle, a truck, or a watercraft, such as a boat. The vehicle may be equipped with a hybrid drive or it may be an electric vehicle. The vehicle may have at least one battery as starter battery and / or traction battery. A device may consist of a switching element and a destructible body or at least comprise these two elements. The device may be referred to as an electromechanical unit and / or mechanical security element and / or electro-mechanical security element. The device can be considered a separate unit exist or alternatively be an integral part of a battery cell. The electrode terminal of the device can be designed to be connected to an electrode terminal of a galvanic element of a battery cell. The first terminal of the device may be configured to be connected to an external terminal of a battery cell. The switching element of the device may have at least two switching states. The switching element can be held by an intact destructible body in a primary switching state. In the primary switching state, an electrical connection can be made between the first electrode terminal and the first terminal of the device. The switching element may have a different switching state. In the other switching state, the electrical connection between the first electrode terminal and the first terminal may be interrupted. The switching element can change from the primary switching state to the other switching state if the destructible body is not intact, ie destroyed. The destructible body may be a hollow body and / or an ampule having a shell which has a higher strength than an interior of the body. The destructible body may have at least one fluid in its interior. The destructible body can also have at least two fluids with different thermal expansion coefficients in its interior. If the body has at least two fluids in its interior, a fluid may be a liquid and an at least second fluid may be a gaseous fluid such as air. The destructible body may be made of a material having a non-linear characteristic. The non-linear characteristic may represent the dependence of the strength on a physical quantity. Strength may be understood to mean a property of the body which represents a change in the original shape of the body without the action of the physical quantity; The body therefore deforms to different degrees (ie non-linear) when exposed to different degrees of physical magnitude. By a physical quantity, for example, a temperature, a pressure, a vibration, a shock and / or an acceleration can be understood. Under the intact state of the destructible body can be understood its basic form and or an undamaged form of the destructible body. The destructible body can be irreversibly deformed and / or destroyed. The triggering of the destructible body as a mechanical security element can decouple the connections, for example a battery cell. It is advantageous that a dangerous condition, for example, when used in a battery cell dangerous state of the battery cell, such as strong pressure increase, impending thermal outlier, or "thermal runaway" can be prevented by the approach presented here, in which the device as passive Protective mechanism can bring about a bridging. The device may simultaneously or alternatively respond to different hazardous conditions such as, for example, temperature rise and / or pressure increase.
Günstig ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schaltelement im anderen Schaltzustand den ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss kurzschließt, wobei der zweite Anschluss mit einem zweiten Elektrodenanschluss verbunden ist. Durch das Kurzschließen der Anschlüsse kann beispielsweise bei Einsatz der Vorrichtung in einer Batteriezelle die Batteriezelle überbrückt werden.Also favorable is an embodiment of the invention in which the switching element in the other switching state short-circuits the first terminal and a second terminal, wherein the second terminal is connected to a second electrode terminal. By short-circuiting the terminals, for example, when using the device in a battery cell, the battery cell can be bridged.
Günstig ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schaltelement ausgebildet ist, einen sekundären Schaltzustand und/oder einen tertiären Schaltzustand als den anderen Schaltzustand einzunehmen, wobei das Schaltelement ausgebildet ist, in dem sekundären Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Anschluss zu unterbrechen und in dem tertiären Schaltzustand den ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss kurzzuschließen und die elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Anschluss zu unterbrechen, wobei der zweite Anschluss mit einem zweiten Elektrodenanschluss verbunden ist. Bei unterschiedlichen Ereignissen können unterschiedliche Reaktionen erfolgen. Dabei kann der zerstörbare Körper beispielsweise auf Druck und/oder Temperatur anders reagieren als auf einen Schlag und/oder eine Beschleunigung. Dies kann durch eine geeignete nicht-lineare Kennlinie erreicht werden. Auch kann die Beschaffenheit des zerstörbaren Körpers in Bezug auf unterschiedliche physikalische Größen unterschiedliche nicht-lineare Kennlinien aufweisen. Der zerstörbare Körper kann aus zwei Teilkörpern bestehen, wobei der zerstörbare Körper ausgebildet sein kann, dass bei einem Ereignis nur einer der zwei Teilkörper zerstört wird und bei einem anderen Ereignis beide Teilkörper zerstört werden. Also advantageous is an embodiment of the invention in which the switching element is designed to assume a secondary switching state and / or a tertiary switching state as the other switching state, wherein the switching element is formed, in the secondary switching state, the electrical connection between the first electrode and the first Terminal interrupt and in the tertiary switching state, the first terminal and shorted to a second terminal and to interrupt the electrical connection between the first electrode and the first terminal, wherein the second terminal is connected to a second electrode terminal. Different events can cause different reactions. In this case, the destructible body can react differently to pressure and / or temperature, for example, than to a blow and / or an acceleration. This can be achieved by a suitable non-linear characteristic. Also, the nature of the destructible body may have different nonlinear characteristics with respect to different physical quantities. The destructible body can consist of two sub-bodies, it being possible for the destructible body to be designed so that only one of the two sub-bodies is destroyed during an event and, in the case of another event, both sub-bodies are destroyed.
Ferner kann auch der zerstörbare Körper ausgebildet sein, durch ein Überschreiten einer Schwelle eines Drucks auf den Körper von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand (auch als nicht-intakter Zustand bezeichnet) zu wechseln. Der Druckanstieg oder das Überschreiten einer Schwelle des Drucks kann als eine physikalische Größe verstanden werden. Unter einem Druckanstieg kann ein Druckanstieg der Umgebung der Vorrichtung verstanden werden. Bei einem Einsatz der Vorrichtung innerhalb einer Batteriezelle kann beispielsweise durch eine Erhitzung im Inneren der Batteriezelle ein Druckanstieg beobachtet werden, beispielsweise aufgrund eines Ladevorgangs über das erlaubte Maximum hinaus. Somit kann durch eine Reaktion auf den Druckanstieg eine Explosion der Batteriezelle verhindert werden.Further, the destructible body may also be configured to switch from the intact state to the destroyed state (also referred to as a non-intact state) by exceeding a threshold of a pressure on the body. The pressure increase or exceeding a threshold of the pressure can be understood as a physical quantity. An increase in pressure can be understood to mean an increase in pressure of the environment of the device. When using the device within a battery cell, for example, by a heating in the interior of the battery cell, a pressure increase can be observed, for example, due to a charging over the allowed Maximum out. Thus, explosion of the battery cell can be prevented by responding to the pressure rise.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der zerstörbare Körper ausgebildet sein, durch einen Temperaturanstieg von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu wechseln. Der zerstörbare Körper kann bei Überschreiten einer vorabdefinierten Temperaturschwelle zerstört werden. Ein Fluid im Inneren des zerstörbaren Körpers kann sich durch einen Temperaturanstieg ausdehnen und den zerstörbaren Körper in einen nicht intakten Zustand überführen.According to another embodiment of the present invention, the destructible body may be configured to change from the intact state to the destroyed state by a temperature rise. The destructible body can be destroyed when a pre-defined temperature threshold is exceeded. A fluid in the interior of the destructible body may expand due to an increase in temperature and convert the destructible body to a non-intact state.
In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Heizwendel und einem Anschluss für die Heizwendel auf, wobei der Heizwendel neben dem zerstörbaren Körper angeordnet ist, wobei die Heizwendel ausgebildet ist, durch Erhitzen des zerstörbaren Körpers diesen von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen. Unter einer Heizwendel kann ein Heizwiderstand verstanden werden. Unter einer Heizwendel kann ein elektrisches Bauelement, das elektrische Energie in thermische Energie, beziehungsweise Wärme, umwandelt, verstanden werden. An dem Anschluss für die Heizwendel kann ein elektrischer Auslöser für die Heizwendel angeordnet sein. In an additional or alternative embodiment, the apparatus comprises a heating coil and a connection for the heating coil, wherein the heating coil is arranged next to the destructible body, wherein the heating coil is formed, by heating the destructible body from the intact state to the destroyed state bring. Under a heating coil, a heating resistor can be understood. Under a heating coil, an electrical component that converts electrical energy into thermal energy, or heat, to be understood. At the connection for the heating coil, an electrical trigger for the heating coil can be arranged.
Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Vorrichtung einen piezoelektrischen Auslöser aufweisen, wobei der piezoelektrische Auslöser neben dem zerstörbaren Körper angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Auslöser ausgebildet ist, den zerstörbaren Körper von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen. Unter einem piezoelektrischen Auslöser kann ein Piezoaktor verstanden werden, wobei der Piezoaktor ausgebildet ist, bei Anliegen einer entsprechenden Spannung den zerstörbaren Körper auszulösen, beziehungsweise zu zerstören.Further, according to another embodiment, the device may include a piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric actuator is disposed adjacent to the destructible body, wherein the piezoelectric actuator is configured to bring the destructible body from the intact condition to the destroyed condition. A piezoelectric trigger can be understood as meaning a piezoactuator, the piezoactuator being designed to trigger or destroy the destructible body when a corresponding voltage is present.
Ferner kann der zerstörbare Körper ausgebildet sein, mittels Schlag und/oder Erschütterung und/oder Verformung von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen. Unter einem zerstörbaren Körper, der mittels Schlag und/oder Erschütterung und/oder Verformung in den nicht intakten Zustand wechselt, kann ein passiver Crashsensor verstanden werden. Der zerstörbare Körper kann bei Auftreten von einer Beschleunigung oberhalb einer vordefinierten Schwelle zerstört werden. Eine solche Beschleunigung kann bei einem Unfall auftreten. Eine Verformung des Gehäuses, in dem die Vorrichtung angeordnet ist, kann zum Zerstören des zerstörbaren Körpers führen und somit die Vorrichtung auslösen. Eine Halterung des zerstörbaren Körpers kann ausgebildet sein, einen Schlag und/oder eine Verformung und/oder eine Erschütterung an den zerstörbaren Körper zu übertragen. Die beschriebene Übertragung kann mittels einer scharfen Kante und/oder eines weiteren beweglich angeordneten Bauteils erfolgen.Furthermore, the destructible body may be configured to bring it from the intact state to the destroyed state by means of impact and / or vibration and / or deformation. Under a destructible body that changes by impact and / or vibration and / or deformation in the non-intact state, a passive crash sensor can be understood. The destructible body may be destroyed if an acceleration above a predefined threshold occurs. Such acceleration can occur in an accident. Deformation of the housing in which the device is located can lead to destruction of the destructible body and thus trigger the device. A holder of the destructible body may be configured to transmit a shock and / or a deformation and / or a shock to the destructible body. The transmission described can be done by means of a sharp edge and / or another movably arranged component.
Auch ist es günstig, wenn ein Widerstand zu dem Schaltelement parallel geschaltet ist, wobei der Widerstand ausgebildet ist, bei zerstörtem Zustand des zerstörbaren Körpers die Batteriezelle zu entladen. Unter einem Widerstand kann ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement zur Realisierung eines ohmschen Widerstandes verstanden werden. Ein Widerstand kann einen elektrischen Widerstand oberhalb einer vorabdefinierten Schwelle aufweisen. Um eine möglichst schnelle Entladung (und damit Herbeiführung des sicheren Zustandes) herbeizuführen, kann der Widerstand beispielsweise im Bereich weniger MilliOhm liegen, im Extremfall kann er sogar einen Quasikurzschluss darstellen (Sub-MilliOhm). Falls eine langsamere Entladung gewünscht wird (auch um die thermische Belastung gering zu halten, können Widerstandswerte im Bereich 10m-1Ohm gewählt werden. Mit diesen Werten ist eine typische Lithium-Ionen Batteriezelle für Elektrofahrzeuge in ca. 1h entladen.It is also advantageous if a resistor is connected in parallel with the switching element, wherein the resistor is designed to discharge the battery cell in the destroyed state of the destructible body. A resistor can be understood as meaning a two-pole passive electrical component for realizing an ohmic resistance. A resistor may have an electrical resistance above a predefined threshold. In order to bring about the fastest possible discharge (and thus bringing about the safe state), the resistance can be, for example, in the range of a few milliOhms; in extreme cases, it can even represent a quasi short circuit (sub-millihms). If a slower discharge is desired (in order to keep the thermal load low, resistance values in the range 10m-1Ohm can be selected) These values discharge a typical lithium-ion battery cell for electric vehicles in about 1h.
In einer zusätzlichen Ausführungsform kann eine Anschlussleitung des ersten Anschlusses in einem benachbart zu dem zerstörbaren Körper angeordneten Bereich als ein gegenüber einem weiteren Bereich der Anschlussleitung verdünnter Anschlussbereich ausgebildet sein, wobei der verdünnte Anschlussbereich ausgebildet ist, bei einem Anstieg eines Stroms eine Erwärmung des zerstörbaren Körpers zu bewirken und den zerstörbaren Körper von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen.In an additional embodiment, a lead of the first terminal may be formed in a portion adjacent to the destructible body as a terminal portion thinned to another portion of the lead, the thinned portion being configured to heat the destructible body upon a rise of a current to bring the destructible body from the intact state to the destroyed state.
Günstig ist es auch, wenn in einer Ausführungsform der zerstörbare Körper als eine Glasampulle ausgebildet ist. Eine Ausführungsform des zerstörbaren Körpers als Glasampulle kann vorteilhaft sein, da das Material sowohl kostengünstig als auch auf eine thermische Veränderung, auf Erschütterung und/oder Schlag und/oder Stoß als auch auf Druck mit einer nicht-linearen Festigkeitskennlinie reagiert.It is also favorable if, in one embodiment, the destructible body is designed as a glass ampoule. An embodiment of the destructible body as a glass ampoule may be advantageous, since the material reacts both cost-effective and to a thermal change, vibration and / or impact and / or shock as well as pressure with a non-linear strength characteristic.
Ferner kann in einer besonderen Ausführungsform der zerstörbare Körper in einem Zellinneren einer Batteriezelle angeordnet sein und das Schaltelement hermetisch abgeschlossen gegenüber dem Zellinneren angeordnet sein. Unter dem Zellinneren kann der Innenraum einer Vorrichtung beziehungsweise eines Körpers verstanden werden, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommt, wie beispielsweise eine Batteriezelle und/oder eine Brennstoffzelle. Durch das Abtrennen des Schaltelements hermetisch von dem Zellinneren kann eine Korrosion von Kontakten des Schaltelements verhindert werden. Durch das Abtrennen des Schaltelements von dem Zellinneren kann die elektrische Leitfähigkeit des Schaltelements besser und länger aufrechterhalten werden.Furthermore, in a particular embodiment, the destructible body can be arranged in a cell interior of a battery cell and the switching element can be arranged hermetically sealed relative to the cell interior. The interior of the cell can be understood to mean the interior of a device or a body in which the device according to the invention is used, such as a battery cell and / or a fuel cell. By separating the switching element hermetically from the cell interior, corrosion of contacts of the switching element can be prevented. By separating the Switching element of the cell interior, the electrical conductivity of the switching element can be maintained better and longer.
In einer zusätzlichen Ausführungsform kann der zerstörbare Körper mit einem Fluid gefüllt sein. Ein Fluid im Zellinneren kann einen zur Umgebung und zum Material des zerstörbaren Körpers unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das Fluid kann derart ausgebildet sein, dass es sich bei Wärmezufuhr bei einem vordefinierten Temperaturschwellwert soweit ausdehnt, dass der zerstörbare Körper nicht zerstört ist und eine Form des Körpers gegenüber seiner Grundform verändert wird.In an additional embodiment, the destructible body may be filled with a fluid. A fluid in the cell interior may have a different thermal expansion coefficient to the environment and to the material of the destructible body. The fluid can be designed such that it expands as far as heat at a predefined temperature threshold, that the destructible body is not destroyed and a shape of the body is changed from its basic shape.
Ferner kann das Fluid ausgebildet sein, im zerstörten Zustand des zerstörbaren Körpers eine chemische Reaktion zu bewirken. Das Fluid kann ausgebildet sein, mit einem anderen Fluid und/oder Material chemisch zu reagieren. Beispielsweise kann das Fluid ausgebildet sein, Substanzen aus einem Elektrolyt, beispielsweise in einer Batteriezelle, zu binden und somit einen kritischen Zustand der Batteriezelle weiter eindämmen und/oder verhindern.Further, the fluid may be configured to cause a chemical reaction in the destroyed state of the destructible body. The fluid may be configured to chemically react with another fluid and / or material. For example, the fluid may be formed to bind substances from an electrolyte, for example in a battery cell, and thus further contain and / or prevent a critical state of the battery cell.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Abkopplung und gleichzeitig oder alternativ Überbrückung von Anschlüssen für eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
Auslösen des zerstörbaren Körpers ansprechend auf eine physikalische Größe, wobei der zerstörbare Körper von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand gebracht wird.The present invention provides according to an embodiment of the invention a method for decoupling and simultaneously or alternatively bridging connections for a device for disconnecting and / or bridging connections for a battery cell, the method comprising the following step:
Triggering the destructible body in response to a physical amount, wherein the destructible body is brought from the intact state to the destroyed state.
Ein Aspekt des hier vorgestellten Verfahrens ist es, am Beispiel einer Batteriezelle die Sicherheit und Leistung einer Batterie durch aktives Herausnehmen von kritischen und/oder gealterten Batteriezellen zu steigern. Für die Batteriesicherheit hat dabei eine aktiv ausgelöste Überbrückung von Batteriezellen mit kritischer Temperatur, kritischem Druck und/oder kritischen Spannungsverläufen große Bedeutung; für die Batterieleistung (Performance) hat dabei eine aktiv ausgelöste Überbrückung von stark gealterten oder aus sonstigen Gründen leistungsschwachen Zellen mit schlechtem State-of-Health große Bedeutung.One aspect of the method presented here is to increase the safety and performance of a battery by active removal of critical and / or aged battery cells using the example of a battery cell. For battery safety, an actively triggered bridging of battery cells with critical temperature, critical pressure and / or critical voltage curves is of great importance; For the battery performance (performance) has an actively triggered bridging of heavily aged or poor performance for other reasons cells with poor state of health has great importance.
Das hier vorgestellte Verfahren, beziehungsweise eine Vorrichtung, die Einrichtungen aufweist, welche dieses Verfahren umsetzen, verwendet zur Verknüpfung von Sensorik (Messwerten, Überschreitung von Grenzwerten) und Aktorik (mechanischen und optional elektrischen Komponenten welche in eine Batteriezelle, z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges, eingebaut werden und dazu dienen die Anschlüsse der Zelle intern abzutrennen, bzw. zu überbrücken), um eine optimale Leistung und Sicherheit einer Batterie sicherzustellen.The method presented here, or a device which has devices which implement this method, uses sensors for linking sensors (measured values, exceeding limiting values) and actuators (mechanical and optionally electrical components) into a battery cell, eg lithium ions Battery of an electric vehicle, installed and serve to disconnect the connections of the cell internally or to bridge) to ensure optimum performance and safety of a battery.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Der erste Elektrodenanschluss
Der zweite Anschluss
Die Elektrode
In einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung
Ein weiterer Vorteil ist, dass für eine (passive und/oder aktive) Auslösung über Innendruck keine Gehäusewandmodifikation notwendig ist. Derzeitige Systeme haben eine Knackfrosch-Membran in der Außenwand, welche bei Druckanstieg umklappt und einen gewollten Kurzschluss auslöst. Dafür muss z. B. der Zelldeckel modifiziert werden, um diese Membran unterzubringen.Another advantage is that no housing wall modification is necessary for a (passive and / or active) triggering via internal pressure. Current systems have a pop-up membrane in the outer wall, which folds down when pressure rises and triggers a desired short circuit. For this z. As the cell lid can be modified to accommodate this membrane.
Unter dem Verfahren
Ein Aspekt des hier vorgestellten Verfahrens
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren
Verformt sich bei einem Unfall das Zellgehäuse, wobei sehr schwerwiegende Folgen dann zu erwarten sind, wird diese Verformung auf die Ampulle übertragen und führt zum Zerbrechen/Auslösung. Die Halterung der Ampulle ist in einem Ausführungsbeispiel entsprechend ausgeformt, um die Beschleunigungen und/oder Verformungen auf die Ampulle zu übertragen. Beispiele: scharfe Kante, welche in die Ampulle gedrückt wird. Scharfe Kante, welche sich bei hohen Beschleunigungen bewegt und die Ampulle zerschlägt. Je nach Ausführungsbeispiel erfolgt die Auslösung über alle oder eine teilweise Kombination der vorherigen Methoden. Bei unterschiedlichen Ereignissen erfolgen unterschiedliche Reaktionen. Beispiele: Bei einem Crash ist es vorteilhaft, wenn die Zelle abgekoppelt wird, aber die Zelle nicht überbrückt wird. Damit kann ein passiver Mechanismus in der Zelle den gesamten Batteriestrang auftrennen und wird damit eine Absicherung des Batterieschützes (Redundanz). Ausführungsmöglichkeiten: Mehr als eine Glasampulle, eine Glasampulle, welche aber abhängig vom Auslöser unterschiedlich zerbricht. Ein optional vorhandener hochohmiger Widerstand führt nach Auslösung eine langsame Entladung der Zelle herbei und bringt dadurch die Zelle in einen sicheren Zustand.Deformed in an accident, the cell housing, with very serious consequences are expected then this deformation is transferred to the ampoule and leads to breakage / release. The holder of the ampoule is formed in accordance with one embodiment, in order to transmit the accelerations and / or deformations on the ampoule. Examples: sharp edge, which is pressed into the ampoule. Sharp edge, which moves at high accelerations and smashes the ampoule. Depending on the embodiment, the triggering takes place via all or a partial combination of the previous methods. Different reactions occur in different events. Examples: In a crash, it is advantageous if the cell is decoupled, but the cell is not bridged. This allows a passive mechanism in the cell to separate the entire battery string and thus provides protection for the battery protector (redundancy). Design options: More than a glass ampoule, a glass ampoule, which, however, breaks differently depending on the trigger. An optional high-impedance resistor causes a slow discharge of the cell after triggering and thus brings the cell into a safe state.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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