DE102012215058A1 - Battery cell i.e. lithium-ion cell, for e.g. electric car, has built-in diaphragm in connection with thermostat, where diaphragm is pressed outwards and opens thermostat when pressure within housing is greater than predetermined pressure - Google Patents

Battery cell i.e. lithium-ion cell, for e.g. electric car, has built-in diaphragm in connection with thermostat, where diaphragm is pressed outwards and opens thermostat when pressure within housing is greater than predetermined pressure Download PDF

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Michael Gless
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Abstract

The cell (10) i.e. lithium-ion cell, has a housing (18) and a thermostat (20) that is electrically and conductively connected to an electrode of the battery cell. The thermostat is thermal conductive with the battery cell. A built-in diaphragm (22) is provided in the housing. The built-in diaphragm is in mechanical operative connection with the thermostat. The diaphragm is pressed outwards and opens the thermostat when a pressure within the housing is greater than a predetermined pressure. An independent claim is also included for a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einem Temperaturschalter, welcher mit einer Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden, wärmeleitfähig mit der Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei einer Temperatur größer einer vordefinierten Temperatur zu öffnen. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie umfassend die erfindungsgemäße Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Batterie.The present invention relates to a battery cell having a battery cell housing and a temperature switch, which is electrically conductively connected to an electrode of the battery cell, thermally coupled to the battery cell and adapted to open at a temperature greater than a predefined temperature. Furthermore, the invention relates to a battery comprising the battery cell according to the invention and a motor vehicle comprising the battery according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei (mobilen) Geräten, wie Laptops, Mobiltelefonen, oder Werkzeugen (PowerTools) neue Batteriesysteme als Energiespeicher zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund von relativ hohen Energiedichten werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien für diese Anwendungen eingesetzt.It is becoming apparent that in the future both in stationary applications such as wind turbines, in vehicles designed as hybrid or electric vehicles, and in (mobile) devices such as laptops, mobile phones, or tools (Power Tools) new battery systems as energy storage which are subject to very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life. Due to relatively high energy densities, lithium-ion batteries are used in particular for these applications.

1 zeigt, wie mehrere Batteriezellen 10 zu einem Batteriemodul 12 und anschließend mehrere Batteriemodule 12 zu einer Batterie 14 (oft als „Batterie-Pack“ oder kurz „Pack“ bezeichnet) zusammengefasst werden können. Oftmals erfolgt vor der Gruppierung mehrerer Batteriemodule 12 zu der Batterie 14 eine Gruppierung der Batteriemodule 12 zu einer so genannten „Subunit“ und anschließend eine Gruppierung mehrerer Subunits zu der Batterie 14. Diese Gruppierungen erfolgen durch eine nicht dargestellte Parallel- oder Reihenschaltung der Polanschlüsse 16 (Terminals) der Batteriezellen 10. Die Verschaltung der Polanschlüsse 16 geschieht in der Regel über nicht dargestellte Zellverbinder, welche als Stromschienen ausgeführt sein können. Die Zellverbinder werden mit den Polanschlüssen 16 der Batteriezellen 10 beispielsweise verschraubt oder verschweißt. Die elektrische Spannung einer Batterie 14 beträgt beispielsweise zwischen 12 und 750 Volt Gleichspannung. 1 shows how several battery cells 10 to a battery module 12 and then several battery modules 12 to a battery 14 (often referred to as a "battery pack" or "pack" for short). Often, before grouping several battery modules 12 to the battery 14 a grouping of the battery modules 12 to a so-called "subunit" and then a grouping of several subunits to the battery 14 , These groupings are effected by a not shown parallel or series connection of the pole terminals 16 (Terminals) of the battery cells 10 , The interconnection of the pole connections 16 As a rule, this happens via cell connectors (not shown), which can be designed as busbars. The cell connectors are connected to the pole terminals 16 the battery cells 10 for example screwed or welded. The electrical voltage of a battery 14 is for example between 12 and 750 volts DC.

Unter Batteriezellen werden Sekundärelemente, also Akkumulatoren verstanden. In der Literatur werden die Begriffe Batteriezelle, Batteriemodul, Subunit, Batterie-Pack und Batterie oftmals auch synonym verwendet.By battery cells secondary elements, ie accumulators understood. In the literature, the terms battery cell, battery module, subunit, battery pack and battery are often used interchangeably.

Insbesondere bei einer Zellchemie, wie sie Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweisen, beeinflusst die Temperatur der Batteriezellen deren Alterung. Werden Lithium-Ionen-Batteriezellen über Temperaturen von ca. 60°C erwärmt, kann zunächst eine beschleunigte Alterung auftreten. Bei Temperaturen ab 120°C besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens (Thermal Runaway), also einer exothermen Zersetzungsreaktion der Batteriezelle.In particular, in a cell chemistry, as they have lithium-ion battery cells, the temperature of the battery cells affected by their aging. If lithium-ion battery cells are heated above temperatures of approx. 60 ° C, accelerated aging may initially occur. At temperatures above 120 ° C there is a risk of thermal runaway, ie an exothermic decomposition reaction of the battery cell.

Deshalb wird nach Stand der Technik bei Batterien ein Thermo-Management-System eingesetzt. Insbesondere mit einer Kühlflüssigkeit arbeitende Thermo-Management-Systeme sind technisch aufwendig, die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Sicherheit, wie z. B. Anforderungen an die Dichtheit, Wärmeübergänge und Regelung, herausfordernd. Das zusätzliche Gewicht durch das Kühlsystem und eine dafür erforderliche Kühlenergie können die Reichweite schmälern.Therefore, a thermal management system is used in the prior art batteries. In particular, working with a coolant thermal management systems are technically complex, ensuring reliability and safety, such. As requirements for the tightness, heat transfer and regulation, challenging. The added weight of the cooling system and the cooling energy required can reduce the range.

Luftgekühlte Systeme benötigen in der Regel eine Luftaufbereitung. Es kann zudem kein dichtes oder geschlossenes System realisiert werden.Air-cooled systems usually require air conditioning. In addition, no tight or closed system can be realized.

Zudem zeigt sich, dass die Notwendigkeit einer Kühlung im normalen Fahrbetrieb durch hohe Wärmekapazitäten der Batteriezellen in der Regel nicht erforderlich ist. Durch die ansonsten für die Kühlung erforderliche Energie wird der Energieinhalt der Batterie effizienter genutzt, was in einer entsprechenden Reichweitenerhöhung resultieren kann. Mit leichteren Fahrzeugen verstärkt sich in der Regel dieser Trend.It also shows that the need for cooling in normal driving operation due to high heat capacity of the battery cells is usually not required. Due to the energy otherwise required for the cooling of the energy content of the battery is used more efficiently, which can result in a corresponding range increase. As a rule, this trend is intensified with lighter vehicles.

Die DE 10 2007 012 255 A1 offenbart eine Batteriezelle, welche mit einem Temperaturschalter verschaltet ist. Der Temperaturschalter ist z. B. mit einer Zenerdiode und auch der Batteriezelle selbst wärmeleitfähig verbunden. Der Temperaturschalter kann als Bimetall-Sprungschalter ausgeführt sein und dient zur Steuerung des Ladevorganges der Zelle.The DE 10 2007 012 255 A1 discloses a battery cell which is connected to a temperature switch. The temperature switch is z. B. connected to a Zener diode and the battery cell itself thermally conductive. The temperature switch can be designed as a bimetallic snap-action switch and serves to control the charging process of the cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einem Temperaturschalter zur Verfügung gestellt, welcher mit einer Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden, wärmeleitfähig mit der Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei einer Temperatur größer einer vordefinierten Temperatur zu öffnen. Kennzeichnend umfasst die Batteriezelle eine, in das Batteriezellengehäuse integrierte Membran, welche mit dem Temperaturschalter in einer mechanischen Wirkverbindung steht. Dies erfolgt derart, dass bei einem Druck innerhalb des Batteriezellengehäuses größer einem vordefinierten Druck die Membran nach außen gedrückt wird und den Temperaturschalter öffnet.According to the invention, a battery cell with a battery cell housing and a temperature switch is provided, which is electrically conductively connected to an electrode of the battery cell, thermally coupled to the battery cell and adapted to open at a temperature greater than a predefined temperature. Characteristically, the battery cell comprises a membrane integrated into the battery cell housing which is in mechanical mechanical connection with the temperature switch. This is done such that at a pressure within the battery cell housing greater than a predefined pressure, the membrane is pressed outward and opens the temperature switch.

Die Membran wird beispielsweise nach außen gedrückt, indem sie sich aufgrund des Überdrucks innerhalb der Batteriezelle, verglichen mit dem Druck außerhalb der Batteriezelle, dehnt und nach außen – also in Richtung einer von der Batteriezelle abgewandten Seite – wölbt. Die Membran kann beispielsweise eine Membran sein, welche in einem störungsfreien Betrieb nach innen – also zum Inneren des Batteriezellengehäuses – gewölbt ist und beim Auftreten eines Überdrucks sprungartig nach außen klappt. Der Begriff Temperaturschalter ist nicht auf Temperaturschalter als Standardbauteile beschränkt, sondern bezieht sich z. B. auch auf Ausführungen, welche lediglich die zur Schaltfunktion wesentlichen, insbesondere mechanischen Merkmale umfassen.For example, the membrane is forced outward by being over-pressurized within the battery cell as compared to the pressure outside the battery cell, stretches and outwards - ie in the direction of a side facing away from the battery cell - arches. The membrane may be, for example, a membrane, which in a trouble-free operation inward - ie to the interior of the battery cell housing - is curved and works when an overpressure jumps outwards. The term temperature switch is not limited to temperature switch as standard components, but refers z. B. also on versions which include only the essential for switching function, in particular mechanical features.

Durch diese, in die Batteriezelle integrierte „Zellsicherung“, welche einerseits temperatur-, andererseits auch druckgesteuert aktiviert wird, erfolgt eine maßgebliche Erhöhung der Sicherheit. Somit erfolgt eine Überwachung und Regelung einer Temperatur und/oder eines Stromflusses und eine Trennung des Stromflusses an und/oder auch in der Batteriezelle. Die Temperatur bezieht sich dabei auf die Temperatur des Temperaturschalters, welcher mit der Batteriezelle wärmeleitfähig gekoppelt ist, sodass eine Temperaturerhöhung der Batteriezelle mit einer Temperaturerhöhung des Temperaturschalters einhergeht. Der Stromfluss bezeichnet einen möglichen Stromfluss, welcher in die oder aus der Batteriezelle gerichtet ist.Through this, in the battery cell integrated "cell fuse", which is activated on the one hand temperature, on the other hand pressure controlled, there is a significant increase in security. Thus, there is a monitoring and control of a temperature and / or current flow and a separation of the current flow and / or in the battery cell. The temperature refers to the temperature of the temperature switch, which is thermally coupled with the battery cell, so that a temperature increase of the battery cell is accompanied by an increase in temperature of the temperature switch. The current flow denotes a possible current flow, which is directed into or out of the battery cell.

Die Erfindung stellt ein einfach zu realisierendes Schalt- bzw. Regel-System dar, welches auch rein mechanisch funktionsfähig ist. Es wird somit ein Sicherheitssystem ermöglicht, welches eine thermische Überlastung, z. B. durch zu hohe Leistungsabgabe und/oder Eigenerwärmung jeder einzelnen Batteriezelle ausschließt. Dadurch, und weil die Erfindung bereits auf einer Zellebene funktioniert, ergibt sich eine erhöhte Sicherheit. Somit kann die Erfindung ergänzend, als Vereinfachung oder als Ersatz des Batterie-Management-Systems angesehen werden. Gegebenenfalls können das Batterie-Management-System und/oder auch ein Thermo-Management-System entfallen, ohne die Funktionsfähigkeit einzuschränken. The invention is an easily implemented switching or control system, which is also purely mechanically functional. It is thus possible a security system, which thermal overload, z. B. excludes too high power output and / or self-heating of each individual battery cell. This, and because the invention already works on a cellular level, results in increased security. Thus, the invention may additionally be considered simplification or replacement of the battery management system. Optionally, the battery management system and / or a thermal management system can be omitted without restricting the functionality.

Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, eine Abschaltung der Leistung der Batteriezelle aufgrund physikalischer Zusammenhänge zu ermöglichen. So wird eine Veränderung einer Schalterstellung des Temperaturschalters durch eine Temperatur- und/oder Druckänderung bewirkt. Somit wird ein einfaches Schalt- und/oder Regelsystem ermöglicht, welches sowohl innerhalb der eigentlichen Batteriezelle als auch außerhalb derselben angeordnet sein kann und keiner störanfälligen Steuerelektronik bedarf. Zudem erfolgt die Regelung auf einem Level, wo Wärme entsteht, insbesondere direkt auf der Oberfläche der Batteriezelle und/oder auch an elektrischen Leitern und nicht erst z. B. auf einem System- oder Pack-Level. Dadurch erfolgt ein Ersatz oder zumindest eine Reduzierung und/oder eine wesentliche Vereinfachung des Temperiersystems insbesondere auf Systemebene sowie eine wesentliche Gewichtsersparnis des mobilen Systems, wodurch eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erfolgt. Die Regelung erfolgt sehr schnell, da keine hohen Wärmekapazitäten vorhanden sind, welche die Regelung und Temperaturerfassung erschweren und/oder verlangsamen können. The invention is based on the principle to enable a shutdown of the performance of the battery cell due to physical relationships. Thus, a change of a switch position of the temperature switch is effected by a change in temperature and / or pressure. Thus, a simple switching and / or control system is possible, which can be arranged both within the actual battery cell and outside of the same and requires no fault-prone control electronics. In addition, the regulation takes place at a level where heat is generated, in particular directly on the surface of the battery cell and / or on electrical conductors and not only z. At a system or pack level. This results in a replacement or at least a reduction and / or a substantial simplification of the tempering system in particular at system level and a significant weight saving of the mobile system, whereby an increase in the overall efficiency takes place. The regulation is very fast, since there are no high heat capacities, which complicate the control and temperature detection and / or can slow down.

Somit ist eine Leistungsregelung wie beschrieben auf Zellebene möglich, eine Überwachung ist weiterhin nach Stand der Technik auf Systemebene möglich.Thus, a power control as described at the cell level is possible, monitoring is still possible according to the prior art at the system level.

Ferner ist dadurch eine Vermeidung einer sicherheitskritischen Temperatur durch eine Stromunterbrechung auf der Zellebene möglich. Dies resultiert in einer Vermeidung einer unzulässig hohen Eigenerwärmung (überlagert einer vorhandenen Umgebungstemperatur) z. B. durch eine zu hohe Leistungsabgabe der Batteriezelle.Furthermore, this makes it possible to avoid a safety-critical temperature due to a power interruption at the cell level. This results in avoiding an inadmissibly high self-heating (superimposed on an existing ambient temperature) z. B. by too high power output of the battery cell.

Ferner wird eine individuelle Schaltung und/oder Regelung von Batteriezellen ermöglicht. Dies resultiert bei einem Zusammenschluss mehrerer Batteriezellen, z. B. zu einem Batteriemodul, in einer individuellen Leistungsreduzierung der betroffenen Batteriezelle. Dadurch wird in der Regel auch die Temperatur der Batteriezelle beeinflusst. Dies ist insbesondere sinnvoll bei einem reparaturbedingten, teilweisen Ersatz bereits gealterter Batteriezellen und/oder bei einer Streuung. Furthermore, an individual circuit and / or regulation of battery cells is made possible. This results in a merger of multiple battery cells, z. B. to a battery module, in an individual power reduction of the affected battery cell. As a result, the temperature of the battery cell is usually influenced as well. This is particularly useful in a repair-related, partial replacement of already aged battery cells and / or in a scattering.

Des Weiteren ist die Erfindung mit bereits eingesetzten, vorhandenen Sicherheitsfunktionen wie z. B. einer Überladeschutzvorrichtung (Overcharge Safety Device, kurz OSD), oder einem Batterie-Management-System (BMS) kombinierbar. Furthermore, the invention is already in use, existing security features such. B. a Überladeschutzvorrichtung (Overcharge Safety Device, short OSD), or a battery management system (BMS) combined.

Die Erfindung funktioniert auch während des Ladens oder Entladens der Batteriezelle. Außerdem ist das Batteriesystem mit einer Temperierung, insbesondere einer Kühlung, die in eine stationäre Ladestation integriert sein kann, kombinierbar. Somit ist ein Schnellladen ohne eine Überdimensionierung einer Temperiereinrichtung für den normalen Fahrbetrieb möglich. Auch eine eventuell erforderliche Erwärmung der Batteriezelle, z. B. bei einem Kaltstart, kann durch die Ladestation oder eine Abwärme einer Leistungselektronik realisiert werden. Daraus resultiert eine weitere Gewichtsersparnis des mobilen Systems.The invention also works during charging or discharging of the battery cell. In addition, the battery system can be combined with a temperature control, in particular cooling, which can be integrated in a stationary charging station. Thus, a fast charging without oversizing a temperature control for normal driving is possible. Even a possibly required heating of the battery cell, z. As in a cold start, can be realized by the charging station or waste heat of a power electronics. This results in a further weight saving of the mobile system.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (Sekundärzelle). Durch Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie wird insbesondere eine hohe Energiedichte erreicht, was besonders im Bereich der Elektromobilität weitere Vorteile mit sich bringt.According to a preferred embodiment of the invention, the battery cell is a lithium-ion battery cell (secondary cell). By using the lithium-ion technology is in particular a high energy density is achieved, which brings further advantages, especially in the field of electromobility.

Bevorzugt ist der Temperaturschalter wärmeleitfähig mit einem inneren Terminal der Batteriezelle und/oder dem Batteriezellengehäuse gekoppelt. Der innere Terminal bezeichnet einen Polanschluss der Batteriezelle, welcher eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Elektrode der Batteriezelle herstellt und von dem Temperaturschalter kontaktiert werden kann. Diese in der Regel metallische Verbindung zur Elektrode weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch eine vorteilhafte Wärmeübertragung von der Elektrode auf den Temperaturschalter erfolgen kann. Typischerweise umfassen insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen einen Kupferterminal und einen Aluminiumterminal. Vorteilhaft ist der Temperaturschalter mit dem Kupferterminal gekoppelt, da dieser einen höheren Wärmeleitkoeffizienten aufweist.Preferably, the temperature switch is thermally conductive coupled to an inner terminal of the battery cell and / or the battery cell housing. The inner terminal denotes a pole terminal of the battery cell, which makes an electrically conductive connection to the electrode of the battery cell and can be contacted by the temperature switch. This usually metallic connection to the electrode has a high thermal conductivity, whereby an advantageous heat transfer from the electrode to the temperature switch can take place. In particular, lithium-ion battery cells typically include a copper terminal and an aluminum terminal. Advantageously, the temperature switch is coupled to the copper terminal, since this has a higher thermal conductivity coefficient.

Vorzugsweise umfasst der Temperaturschalter ein Bimetallelement, welches das Batteriezellengehäuse wärmeleitfähig kontaktiert. Das Bimetallelement ist ein Teil des Temperaturschalters, welches zu dessen Steuerung dient. Dies erfolgt, indem sich der Bimetallschalter bei einer Änderung seiner Temperatur verformt. Dadurch, dass das Bimetallelement das Batteriezellengehäuse wärmeleitfähig kontaktiert, ergeben sich Vorteile bei der Wärmeübertragung von der Batteriezelle auf das Bimetallelement.Preferably, the temperature switch comprises a bimetallic element, which makes contact with the battery cell housing in a thermally conductive manner. The bimetallic element is part of the temperature switch which serves to control it. This is done by deforming the bimetallic switch with a change in its temperature. The fact that the bimetallic element contacts the battery cell housing in a thermally conductive manner affords advantages in the transfer of heat from the battery cell to the bimetallic element.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bimetallelement die Membran an deren, von der Batteriezelle abgewandten Seite zumindest teilweise bedeckt, derart, dass das Bimetallelement von der nach außen gedrückten Membran verformbar ist. Wird die Membran aufgrund eines Überdrucks innerhalb des Batteriezellengehäuses nach außen gedrückt, drückt diese in Folge auch das Bimetallelement nach außen, welches dabei verformt wird.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the bimetallic element at least partially covers the membrane at its side facing away from the battery cell, such that the bimetallic element is deformable by the outwardly pressed membrane. If the membrane is pressed outwardly due to an overpressure within the battery cell housing, this also pushes the bimetallic element outwards, which is thereby deformed.

Bevorzugt umfasst der Temperaturschalter einen Sprungschalter, welcher vom Bimetallelement betätigbar ist. Der Sprungschalter verhindert einen Lichtbogen während des Schaltvorganges, indem er sprungartig von einer Schalterstellung in die andere wechselt.Preferably, the temperature switch comprises a snap-action switch which can be actuated by the bimetallic element. The snap switch prevents an arc during the switching process by jumping from one switch position to the other.

Vorzugsweise ist ein Teil des Sprungschalters als Polanschluss der Batteriezelle ausgeformt. Der Polanschluss der Batteriezelle ist einer von typischerweise zwei Polanschlüssen der Batteriezelle und wird dazu genutzt, der Batteriezelle elektrische Energie zuzuführen oder abzurufen. Dadurch, dass der Polanschluss einstückig mit dem Sprungschalter ausgeführt ist, werden ansonsten zwischen dem Polanschluss und dem Sprungschalter auftretende Kontaktwiderstände vermieden.Preferably, a part of the snap-action switch is formed as a pole terminal of the battery cell. The pole terminal of the battery cell is one of typically two pole terminals of the battery cell and is used to supply or retrieve electrical power to the battery cell. Due to the fact that the pole connection is made in one piece with the snap-action switch, contact resistances which otherwise occur between the pole connection and the snap-action switch are avoided.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Sprungschalter auf dessen, der Batteriezelle zugewandten Seite vom Bimetallelement kontaktierbar. Bei einer Bewegung des Bimetallelements nach außen, also aufgrund einer temperatur- oder druckinduzierten Verformung, öffnet das Bimetallelement den Sprungschalter.According to a preferred embodiment of the invention, the snap-action switch can be contacted by the bimetallic element on its side facing the battery cell. When the bimetallic element moves outwards, ie due to a deformation induced by temperature or pressure, the bimetallic element opens the snap-action switch.

Sind der Bimetallschalter und der Sprungschalter lose aneinander aufliegend oder aufliegbar ausgeführt, so resultiert dies insbesondere in einer nicht reversiblen, also einmaligen schaltenden Ausführung. Dies ist insbesondere für eine Fehlerfall-Abschaltung zweckmäßig. Bevorzugt ist aber auch eine reversible Ausführung denkbar (Steuerung) durch z. B. eine Federrückstellung.If the bimetallic switch and the snap-action switch are designed to rest loosely on one another or to rest on one another, then this results, in particular, in a non-reversible, ie, single-switching design. This is particularly useful for a fault case shutdown. But is also a reversible design conceivable (control) by z. B. a spring return.

Bevorzugt umfasst die Batteriezelle einen elektrischen Isolator, über welchen der Sprungschalter thermisch mit einem inneren Terminal der Batteriezelle verbunden ist. Der Sprungschalter trägt somit zur Wärmeübertragung vom inneren Terminal an das Bimetallelement bei.Preferably, the battery cell comprises an electrical insulator, via which the snap switch is thermally connected to an inner terminal of the battery cell. The snap switch thus contributes to the heat transfer from the inner terminal to the bimetallic element.

Ferner wird eine Batterie umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Batteriezellen zur Verfügung gestellt.Furthermore, a battery comprising a plurality of battery cells according to the invention is provided.

Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Batterie zur Verfügung gestellt. Die Batterie ist in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs vorgesehen.Furthermore, a motor vehicle comprising the battery according to the invention is provided. The battery is usually provided for feeding an electric drive system of the motor vehicle.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben oder der Beschreibung zu entnehmen.Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims or refer to the description.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, eine Batterie (Stand der Technik), 1 a battery cell, a battery module, a battery (prior art),

2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, 2 a detail of a battery cell according to the invention according to a preferred embodiment of the invention,

3 die Batteriezelle aus 2 in einem temperaturbedingt abgeschalteten Zustand, und 3 the battery cell off 2 in a temperature condition switched off state, and

4 die Batteriezelle aus 2 in einem druckbedingt abgeschalteten Zustand. 4 the battery cell off 2 in a pressure conditionally disabled state.

Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.On 1 has already been discussed to explain the state of the art.

2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Batteriezelle 10 befindet sich dabei in einem störungsfreien Betriebszustand. Der gezeigte Ausschnitt der Batteriezelle 10 umfasst ein Batteriezellengehäuse 18, welches den chemisch aktiven Teil der Batteriezelle 10 in der Regel luftdicht umschließt, und einen Polanschluss 16. Der Polanschluss 16 kann z. B. negativ gepolt sein und in einem Verband mehrerer Batteriezellen 10 einen Modul-Endterminal darstellen. Ferner umfasst die Batteriezelle 10 einen inneren Terminal 24, welcher elektrisch leitfähig mit einer Elektrode der Batteriezelle 10 verbunden ist. Der innere Terminal 24 der Batteriezelle 10 kann über einen nicht dargestellten Terminalisolator vom Batteriezellengehäuse 18 elektrisch isoliert sein. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Batteriezellengehäuse 18 bereits mit einem zweiten, entgegengesetzt gepolten Polanschluss 16 – in den 2 bis 4 nicht dargestellt – in elektrisch leitfähigem Kontakt steht, sodass das Batteriezellengehäuse 18 auf dem Potenzial des zweiten Polanschlusses 16 liegt. Dies ist oftmals für einen Korrosionsschutz des Batteriezellengehäuses 18 der Fall. Ferner umfasst die Batteriezelle 10 eine Membran 22. Vergleichbare Membranen sind aus dem Stand der Technik von Überladeschutzvorrichtungen bekannt. 2 shows a schematic representation of a section of a battery cell according to the invention 10 according to a preferred embodiment of the invention. The battery cell 10 is in a trouble-free operating state. The shown section of the battery cell 10 includes a battery cell case 18 , which is the chemically active part of the battery cell 10 usually encloses airtight, and a pole connection 16 , The pole connection 16 can z. B. be poled negatively and in a group of multiple battery cells 10 represent a module end terminal. Furthermore, the battery cell includes 10 an inner terminal 24 which is electrically conductive with an electrode of the battery cell 10 connected is. The inner terminal 24 the battery cell 10 can via a terminal insulator, not shown, from the battery cell housing 18 be electrically isolated. This is particularly necessary if the battery cell housing 18 already with a second, opposite polarity pole connection 16 - in the 2 to 4 not shown - in electrically conductive contact, so that the battery cell housing 18 on the potential of the second pole terminal 16 lies. This is often for corrosion protection of the battery cell housing 18 the case. Furthermore, the battery cell includes 10 a membrane 22 , Comparable membranes are known in the art of overcharge protection devices.

Ein Temperaturschalter 20 ist mit dem inneren Terminal 24 der Batteriezelle 10 über einen Kontaktbereich 32 elektrisch leitfähig gekoppelt und somit mit der Elektrode der Batteriezelle 10 elektrisch leitfähig verbunden. Dies stellt einen nicht ausgelösten, elektrisch geschlossenen Zustand des Temperaturschalters 20 dar, ein möglicher Stromkreis mit der Batteriezelle 10 wäre somit geschlossen. Zudem ist der Temperaturschalter 20 wärmeleitfähig mit der Batteriezelle 10 gekoppelt. Wie gezeigt, kann der Temperaturschalter 20 sowohl mit dem inneren Terminal 24 als auch mit dem Batteriezellengehäuse 18 wärmeleitfähig gekoppelt sein. Dies erfolgt typischerweise, indem der Temperaturschalter 20 an die Batteriezelle 10 anliegend an dieser angeordnet ist. Zudem steht die Membran 22 mit dem Temperaturschalter 20 in einer mechanischen Wirkverbindung. A temperature switch 20 is with the inner terminal 24 the battery cell 10 over a contact area 32 coupled electrically conductive and thus with the electrode of the battery cell 10 connected electrically conductive. This represents an untripped, electrically closed state of the temperature switch 20 represents a possible circuit with the battery cell 10 would be closed. In addition, the temperature switch 20 thermally conductive with the battery cell 10 coupled. As shown, the temperature switch can 20 both with the inner terminal 24 as well as with the battery cell housing 18 coupled thermally conductive. This is typically done by the temperature switch 20 to the battery cell 10 is arranged adjacent to this. In addition, the membrane is 22 with the temperature switch 20 in a mechanical operative connection.

Der Temperaturschalter kann ein Bimetallelement 26 umfassen, welches für eine optimale Wärmeübertragung am Batteriezellengehäuse 18 anliegend angeordnet ist. Das Bimetallelement 26 kann die Membran 22 zumindest teilweise bedecken. Um einen Lichtbogen und einen Schaltverschleiß zu vermeiden, kann der Temperaturschalter 20 einen Sprungschalter 28 (Sprungkontakt) umfassen, welcher von dem Bimetallelement 26 betätigbar ist. Zudem kann der Sprungschalter 28 als Polanschluss 16 der Batteriezelle 10 ausgeformt sein. Der Sprungschalter kann vorteilhaft über einen elektrischen Isolator 30 thermisch mit dem inneren Terminal 24 der Batteriezelle 10 verbunden sein. An jener Stelle, an der der Sprungschalter 28 von dem Bimetallschalter 26 kontaktierbar ist, kann ein elektrischer Kontaktstellenisolator 34 angeordnet sein, welcher bevorzugt eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der elektrische Kontaktstellenisolator 34 verhindert eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Sprungschalter 28 und dem Bimetallelement 26, welches über das Batteriezellengehäuse 18 auf dem Potenzial des zweiten Polanschlusses 16 liegen kann. Der innere Terminal 24 der Batteriezelle 10 kann über einen nicht dargestellten Terminalisolator vom Batteriezellengehäuse 18 elektrisch isoliert sein.The temperature switch can be a bimetallic element 26 which is for optimum heat transfer to the battery cell housing 18 is arranged adjacent. The bimetal element 26 can the membrane 22 at least partially cover. In order to avoid an arc and a switching wear, the temperature switch can 20 a jump switch 28 (Jump contact), which of the bimetallic element 26 is operable. In addition, the jump switch 28 as pole connection 16 the battery cell 10 be formed. The jump switch can advantageously via an electrical insulator 30 thermally with the inner terminal 24 the battery cell 10 be connected. At the point where the jump switch 28 from the bimetal switch 26 can be contacted, an electrical contact point insulator 34 be arranged, which preferably has a good thermal conductivity. The electrical contact point insulator 34 prevents an electrically conductive connection between the snap-action switch 28 and the bimetallic element 26 which is above the battery cell housing 18 on the potential of the second pole terminal 16 can lie. The inner terminal 24 the battery cell 10 can via a terminal insulator, not shown, from the battery cell housing 18 be electrically isolated.

3 und 4 beschreiben die Funktionsweise der in 2 gezeigten, bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem ausgelösten, elektrisch offenen Zustand. Der Polanschluss 16 ist in den gezeigten Stellungen des Sprungschalters 28 von der Elektrode der Batteriezelle 10 elektrisch isoliert, ein möglicher Stromkreis, in den die Batteriezelle 10 eingebunden sein kann, wäre somit unterbrochen. 3 and 4 describe the functioning of in 2 shown, preferred embodiment of the invention in a tripped, electrically open state. The pole connection 16 is in the shown positions of the jumpswitch 28 from the electrode of the battery cell 10 electrically isolated, a potential circuit into which the battery cell 10 could be involved, would be interrupted.

In 3 ist eine Auslösung des Temperaturschalters aufgrund einer unzulässigen Temperatur gezeigt. Dies ist beispielsweise bei einer thermischen Überlastung der Batteriezelle 10 der Fall. Die bei der thermischen Überlastung entstehende Wärme wird über das Batteriezellengehäuse 18 an das Bimetallelement 26 geleitet. Das Bimetallelement 26, welches lediglich einseitig mit dem Batteriezellengehäuse 18 verbunden ist, biegt sich dadurch an dessen freiem Ende von der Batteriezelle 10 weg, kontaktiert spätestens dadurch den Sprungschalter 28 und öffnet diesen. Durch das sprungartige Aufklappen des Sprungschalters 28 werden Lichtbögen und ein möglicher Schaltverschleiß minimiert. In 3 a trip of the temperature switch is shown due to an inadmissible temperature. This is for example at a thermal overload of the battery cell 10 the case. The heat generated during the thermal overload is transmitted through the battery cell housing 18 to the bimetallic element 26 directed. The bimetal element 26 , which only one-sided with the battery cell housing 18 is thereby bent at the free end of the battery cell 10 away, contacted at the latest by the jump switch 28 and open it. By the sudden unfolding of the jump switch 28 Arcs and possible switching wear are minimized.

In 4 ist eine weitere Möglichkeit der Auslösung des Temperaturschalters 20 dargestellt. Demnach wird der Bimetallschalter 26 durch einen unzulässigen Druck innerhalb der Batteriezelle 10, z. B. aufgrund eines Überschreitens der Ladekapazität der Batteriezelle 10 oder durch eine Kombination aus einem erhöhten Innendruck und einer erhöhten Temperatur der Batteriezelle 10, verformt. In 4 is another way of triggering the temperature switch 20 shown. Accordingly, the bimetal switch 26 by an impermissible pressure within the battery cell 10 , z. B. due to exceeding the charging capacity of the battery cell 10 or by a combination of an increased internal pressure and an elevated temperature of the battery cell 10 , deformed.

Gleichzeitig kann, wie auch z. B. rein durch eine erhöhte Temperatur möglich, das Bimetallelement 26 den Sprungschalter 28 im geöffneten Zustand elektrisch leitfähig kontaktieren. Bei Batteriezellen, bei denen das Batteriezellengehäuse 18 auf dem Potenzial des zweiten Polanschlusses 16 liegt, und der innere Terminal 24 üblicherweise über den nicht dargestellten Terminalisolator von dem Batteriezellengehäuse 18 isoliert ist, stellt dies eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Polanschluss 16 und dem zweiten Polanschluss 16 her. Dadurch kann beispielsweise ein Ladestrom abfließen, ohne in die Batteriezelle 10 vorzudringen. Diese Funktionsweise stellt eine analoge Wirkung zu, aus dem Stand der Technik bekannten, Überladeschutzvorrichtungen (Overcharge Safety Device – OSD) dar.At the same time, as well as z. B. purely by an elevated temperature possible, the bimetallic element 26 the jump switch 28 Contact electrically conductive in the opened state. For battery cells, where the battery cell housing 18 on the potential of the second pole terminal 16 lies, and the inner terminal 24 usually via the terminal insulator, not shown, of the battery cell housing 18 is isolated, this provides an electrically conductive connection between the pole terminal 16 and the second pole terminal 16 ago. As a result, for example, a charging current flow, without entering the battery cell 10 penetrate. These Mode of operation provides an analogous effect to overcharge protection devices known from the prior art (Overcharge Safety Device - OSD).

Als Alternative dazu kann im ausgelösten Zustand die Kontaktstelle zwischen dem Bimetallschalter 26 und dem Sprungschalter 28 auch elektrisch isoliert sein. Die Erfindung kann dann, z. B. ergänzend, zur Überladeschutzvorrichtung genutzt werden.Alternatively, in the tripped state, the contact point between the bimetal switch 26 and the jump switch 28 also be electrically isolated. The invention can then, for. B. in addition, be used for overcharge protection device.

Durch die Erfindung wird eine integrierte Batteriezellensicherung durch eine Temperaturüberwachung zur Verfügung gestellt. Ab kritischen Temperaturen wird ein Stromfluss in und/oder aus der Batteriezelle unterbrochen. Dadurch können eine thermische Überlastung und damit einhergehend eine sicherheitskritische Temperatur vermieden werden. Solch eine sicherheitskritische Temperatur könnte ansonsten z. B. durch einen Kurzschluss innerhalb eines Batteriesystems oder durch eine zu hohe Leistungsabgabe- und/oder Aufnahme der Batteriezelle 10 entstehen. Somit ist die Erfindung auch als eine Alternative zur Minimierung eines Aufwands für die Temperierung der Batteriezelle 10 einsetzbar, z. B. als Überhitzungsschutz durch Unterbrechung eines Stromflusses aus und/oder in die Batteriezelle 10.The invention provides an integrated battery cell fuse is provided by a temperature monitoring. From critical temperatures, a current flow in and / or out of the battery cell is interrupted. As a result, a thermal overload and concomitantly a safety-critical temperature can be avoided. Such a safety-critical temperature could otherwise z. B. by a short circuit within a battery system or by an excessive power output and / or recording of the battery cell 10 arise. Thus, the invention is also considered as an alternative to minimizing the expense of temperature control of the battery cell 10 can be used, for. B. as overheating protection by interrupting a current flow and / or in the battery cell 10 ,

Das Funktionsprinzip einer solchen Abschaltung der Batteriezelle 10 ist vergleichbar einer Kabeltrommel mit einem Temperaturschalter, wobei ebenfalls eine Unterbrechung des Stromflusses ab einer bestimmten Temperatur, also Erwärmung erfolgt. Des Weiteren ist das Funktionsprinzip auch mit einem Sicherheitsschutzschalter, einem Überhitzungsschutz oder einem Thermoschalter in Kraftfahrzeugen vergleichbar. The operating principle of such a shutdown of the battery cell 10 is comparable to a cable drum with a temperature switch, wherein also an interruption of the current flow from a certain temperature, ie heating takes place. Furthermore, the operating principle is also comparable to a safety circuit breaker, overheating protection or a thermal switch in motor vehicles.

Bei einem Anstieg der Temperatur auf einen kritischen Betrag öffnet ein Kontakt des Temperaturschalters, der Stromfluss durch die Batteriezelle 10 wird unterbrochen und somit eine weitere Erwärmung vermieden. When the temperature rises to a critical level, contact of the temperature switch opens the flow of current through the battery cell 10 is interrupted and thus avoided further heating.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Batteriezelle (10) mit einem Batteriezellengehäuse (18) und einem Temperaturschalter (20), welcher mit einer Elektrode der Batteriezelle (10) elektrisch leitfähig verbunden, wärmeleitfähig mit der Batteriezelle (10) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei einer Temperatur größer einer vordefinierten Temperatur zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) eine, in das Batteriezellengehäuse (18) integrierte Membran (22) umfasst, welche mit dem Temperaturschalter (20) in einer mechanischen Wirkverbindung steht, derart, dass bei einem Druck innerhalb des Batteriezellengehäuses (18) größer einem vordefinierten Druck die Membran (22) nach außen gedrückt wird und den Temperaturschalter (20) öffnet.Battery cell ( 10 ) with a battery cell housing ( 18 ) and a temperature switch ( 20 ), which is connected to an electrode of the battery cell ( 10 ) electrically conductively connected, thermally conductive with the battery cell ( 10 ) and is adapted to open at a temperature greater than a predefined temperature, characterized in that the battery cell ( 10 ), into the battery cell housing ( 18 ) integrated membrane ( 22 ), which with the temperature switch ( 20 ) is in a mechanical operative connection, such that at a pressure within the battery cell housing ( 18 ) greater than a predefined pressure the membrane ( 22 ) is pushed outwards and the temperature switch ( 20 ) opens. Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, wobei der Temperaturschalter (20) wärmeleitfähig mit einem inneren Terminal (24) der Batteriezelle (10) und/oder dem Batteriezellengehäuse (18) gekoppelt ist.Battery cell ( 10 ) according to claim 1, wherein the temperature switch ( 20 ) thermally conductive with an inner terminal ( 24 ) of the battery cell ( 10 ) and / or the battery cell housing ( 18 ) is coupled. Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperaturschalter (20) ein Bimetallelement (26) umfasst, welches das Batteriezellengehäuse (18) wärmeleitfähig kontaktiert.Battery cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the temperature switch ( 20 ) a bimetallic element ( 26 ), which the battery cell housing ( 18 ) contacted thermally conductive. Batteriezelle (10) nach Anspruch 3, wobei das Bimetallelement (26) die Membran (22) an deren, von der Batteriezelle (10) abgewandten Seite zumindest teilweise bedeckt, derart, dass das Bimetallelement (26) von der nach außen gedrückten Membran (22) verformbar ist.Battery cell ( 10 ) according to claim 3, wherein the bimetallic element ( 26 ) the membrane ( 22 ) at the, of the battery cell ( 10 ) side facing away at least partially covered, such that the bimetallic element ( 26 ) from the outwardly pressed membrane ( 22 ) is deformable. Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Temperaturschalter (20) einen Sprungschalter (28) umfasst, welcher von dem Bimetallelement (26) betätigbar ist. Battery cell ( 10 ) according to one of claims 3 or 4, wherein the temperature switch ( 20 ) a jump switch ( 28 ), which of the bimetallic element ( 26 ) is operable. Batteriezelle (10) nach Anspruch 5, wobei ein Teil des Sprungschalters (28) als ein Polanschluss (16) der Batteriezelle (10) ausgeformt ist.Battery cell ( 10 ) according to claim 5, wherein a part of the snap-action switch ( 28 ) as a pole terminal ( 16 ) of the battery cell ( 10 ) is formed. Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Sprungschalter (28) auf dessen, der Batteriezelle (10) zugewandten Seite von dem Bimetallelement (26) kontaktierbar ist oder kontaktiert wird.Battery cell ( 10 ) according to one of claims 5 or 6, wherein the snap-action switch ( 28 ) on the, the battery cell ( 10 ) facing side of the bimetallic element ( 26 ) is contactable or contacted. Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Batteriezelle (10) einen elektrischen Isolator (30) umfasst, über welchen der Sprungschalter (28) thermisch mit einem inneren Terminal (24) der Batteriezelle (10) verbunden ist.Battery cell ( 10 ) according to one of claims 5 to 7, wherein the battery cell ( 10 ) an electrical insulator ( 30 ) over which the jump switch ( 28 ) thermally with an inner terminal ( 24 ) of the battery cell ( 10 ) connected is. Batterie umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Battery comprising a plurality of battery cells ( 10 ) according to any one of the preceding claims. Kraftfahrzeug umfassend eine Batterie nach Anspruch 9.Motor vehicle comprising a battery according to claim 9.
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