CN102292848A - 原电池保护装置 - Google Patents

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Abstract

原电池保护装置，其通过与电池单元的电极终端以适当方式连接的接触元件而连接到电池，可分配给电池的单个电池单元。保护装置具有激活装置(1008、1108、1208、1011、1111)用于其激活。当激活保护装置时，该保护装置通过改变连接来旁路分配给其的电池单元，并从而将其从电池组中电性去除。

Description

原电池保护装置
技术领域
本发明涉及原电池保护装置、具有该保护装置的原电池以及源于该原电池的电池。电池由串联和/或并联的单个电池单元组成，该单个电池单元经常与属于其的电子设备和冷却剂位于共同的壳体中。在汽车技术中，该电池，特别是高电压电池，尤其用作电动车的牵引用电池和混合动力汽车的能量缓冲器。这种电池单元可例如由于过充电、由于短路或由于其他原因损坏或以其他方式使其预期功能发生故障。
背景技术
已知的例如锂离子电池，其在过充电或短路的电池单元中中断电路。这样例如已知的，当该电池单元过热时，其壳体在针对的减弱位置，例如通过爆破片的辅助，在电池单元内部压力同时升高的作用下裂开并且由此从电极线圈到电池电极的电性接触断开。该已知的解决方案在某些情况下伴有缺点，通过在电池单元侧断开电路使与损坏的电池单元串联的电池单元同样无法再传出电流。特别地在电动车中这可导致全部损坏(“故障”)。在混合动力汽车中，根据系统结构，例如内燃机不再可能重新启动。
为了避免该缺点提出一种装置，在该装置中从电性串联中去除并同时旁路损坏的电池单元。在该已知的解决方案中，用于在电池单元侧断开电路和用于旁路损坏的电池单元的装置常常从电池单元内部压力升高中取得致动能量。因此，该已知的装置只有当电池单元已经不可逆地损坏时才有效。在这种情况下，电池单元所含物，例如部分蒸发的电解质逸出，该电解质由于其导电性可引起其他的短路。在这种情况下维修该电池通常是不可能或没有意义的，因为由于电解质的腐蚀作用短时间内侵蚀了电池的内部。
发明内容
本发明基于以下目的：说明了极为有效的原电池保护装置以及尽可能避免已知解决方案的相关问题。该目的通过根据权利要求1的原电池保护装置来完成。其进一步通过根据其他从属权利要求中任一项的产品来完成。
本发明预先设置原电池的保护装置，该装置通过与电池单元的电极终端以适当方式连接的接触元件连接到电池。根据本发明的保护装置其特征在于，其使用用于激活保护装置的激活装置。根据本发明的保护装置在激活保护装置时通过改变相互连接而旁路分配给它的电池单元且由此从电池组中电性去除该电池单元。
以下将结合本发明的说明书来定义和说明所使用的术语。
根据本发明应当将原电池理解为适于组成电池的合适的电或电化学电池单元，特别是一次电池单元或二次电池单元。该单元下文也称为电池单元、单元或单个电池单元。将电池理解为串联和/或并联的该电池单元的互相连接。
结合本发明，将原电池的互相连接理解为该电池单元的串联和/或并联连接的任何技术上可行的组合。其通过接触元件的帮助，特别是借由接触片、导电轨、绝缘体等等的帮助，由该原电池电极终端合适的连接来产生。
在目前情况下，将激活装置理解为任何用于激活根据本发明的保护装置的装置，根据本发明的保护装置可以旁路电池中针对的单个电池单元并且由此将该电池单元从电池组中电性地去除。术语电性去除是指相关电池单元的位置虽然在空间上留在电池组中，然而通过旁路某个接触从构成电池的多个电池单元的电性串联和/或并联连接中去除该电池单元。
需要能量来借助激活装置激活保护装置，例如因为为此必须移动接触元件。根据本发明，激活装置将从外部获取该能量或通过储能器来提供该能量，该储能器为保护装置或激活装置的组件。这可以涉及每种可能类型的储能器，特别地涉及机械的储能器。当从外部供给用于激活所需的能量时，为此考虑所有类型合适的装置，特别是电磁传感器，例如电磁开关(继电器等)，其借助从外部供给的能量而启动，因此例如从电池组取出，电池组剩余的电池单元继续有规律地工作。
本发明优选的改进方案构成从属权利要求的主题。
附图说明
以下将根据优选的实施例以及借由附图更详细地说明本发明。其中：
图1a根据本发明优选实施方式的电池单元串联连接的电路图，电池单元各自具有用于去除且旁路电性串联连接的电池单元的有效可控的电池单元侧装置；
图1b电池单元与保护装置的开关的互相连接，在保护装置中所有开关位于一位置，该位置导致所有电池单元的串联连接；
图1c电池单元的互相连接，在电池单元中开关位于一位置，该位置导致电池单元的旁路且因此导致其从电池组中去除；
图2根据本发明优选实施方式，电池单元与保护装置的互相连接；
图3根据本发明优选实施方式，具有保护装置的电池块的侧视图；
图4根据本发明优选实施方式，图3中示出的具有保护装置的电池块的上部放大视图；
图5根据本发明优选实施例，具有保护装置的电池单元的视图；
图6根据本发明优选实施方式，保护装置的细节图；
图7图6中示出实施方式的分解图；
图8根据本发明优选实施方式，在未激活状态(正常工作)下的保护装置的侧视图；
图9a 根据本发明优选实施方式，保护装置的截面图；
图9b 图9a中示出的实施方式在未激活状态(正常工作)下的右部放大视图；
图10根据本发明优选实施方式，具有激活的保护装置的电池块的视图；
图11根据本发明优选实施方式，激活的保护装置的侧视图；
图12a根据本发明优选实施方式，在激活的保护装置的情况下保护装置的截面图；
图12b 图12a中所示实施方式的激活的保护装置的右部放大视图。
具体实施方式
如图1a中所示，根据本发明的保护装置基本的工作原理为，通过旁路来从多个电池单元的互相连接中合适地去除损坏的电池单元。为此预先设置旁路104、105、106，该旁路在开关101、102、103中的一个激活的情况下使电极107与相邻电池单元的同名电极连接。在保护装置未激活的状态下电极108与之相反地和与其不同名的相邻电池单元的电极连接。图1b和1c以相同的方式示出根据本发明的保护装置的基本工作原理。因为图1b中所有的开关S1b、S2b、...、S5b位于相应的相同位置，所以图1b中呈现出电池单元Z1b、Z2b、...、Z5b的串联连接。图1c中开关S2c位于激活位置，借此电池单元Z2c在互相连接上去除。
如图2所示，借助接触元件产生电池单元的互相连接。例如在图2中图示的导电轨205、209和212是这样的接触元件。电极(导电体)203或204以合适的方式与接触元件连接或不连接。根据本发明的保护装置优选地各自设置在两个相邻电池单元的条状电极(“导电体”)之间。用于激活保护装置的致动能量例如存储在波状弹簧208中，其通过在图7和9中图示的熔断丝711、811、911保持在其原始位置。在故障开始时，该熔断丝由电流脉冲熔断并且在图2、7和9中示出的波状弹簧208、708和908使直至现在的电性串联连接上升到相邻电池单元向前移动的导电轨上并且朝向第二导电轨按压该导电轨，该第二导电轨电性绕过损坏的电池单元。
根据本发明优选的实施方式，根据本发明的保护装置装备有储能器，该储能器存储用于改变互相连接所需的能量并且当激活时可用。这可涉及机械储能器或其他储能器，例如化学或电学储能器。在图2、4、5、6、7、8、9、10、11和12中示出了简单构造的储能器208、408、508、608、708、808、908、1008、1108、1208。以下通过支架210、310、910、1010、1110来保持波状弹簧208、408、508、608、708、808、908、1008、1108、1208。熔断丝711、811、911、1111使该波状弹簧保持在其原始位置和原始形状，也就是说在绷紧状态。如果丝熔断，则波状弹簧使接触片207、407、507、607、707、808、907、1007、1207上升并且朝向导电轨1105、1205按压该接触片。断开到接触片1106的接触。因此实现电池单元的旁路。
保护装置优选地位于壳体中，该壳体在附图中未图示。该壳体优选地气密密封且必要时充满惰性保护气体从而避免腐蚀。
优选地为每个电池单元有效且独立地控制根据本发明的保护装置，这样单独从电路中去除并旁路相关受损的电池单元。例如电池电子设备通过监视电池单元电压和/或电池单元温度确定电池单元开始发生故障，可以预防性地触发该装置。电池单元以少许减小的电压等级保持继续工作。
根据本发明的解决方案，在该解决方案中用于激活的能量并不从一与涉及发生故障或破坏、旁路的电池单元相关的过程中取出，而在该方案中用于激活的能量从保护装置之外供给或从储能器中取出，该储能器优选为保护装置或激活装置的组件，具有该优势：可将发生故障的相关电池单元在早期阶段从电池组中电性去除，在该早期阶段尚未开始破坏电池单元或甚至已经经过一段时期，可以在破坏过程中取出用于激活保护装置所需的能量。在许多情况下借此可避免破坏电池单元。在有利的情况下，经过一定时间恢复或修复的旁路的电池单元可能再容纳在电池组中。
假设保护装置的激活及时早地发生，旁路的电池单元甚至本身还能提供用于激活其保护装置的能量。由此可见在从电池组中通过旁路电性去除电池单元之前，其可作为保护装置的储能器。
根据本应用，根据本发明的保护装置装备有激活装置，可通过一信号激活该激活装置，该信号可在保护装置内或外部产生。优选两个方案中的哪一个主要取决于激活事件的类型。例如可能的是电池单元电子设备监视单个电池单元的电池单元电压并且将测量结果传达到电池外部的中央控制单元，接着该中央控制单元本身为该电池单元或该多个电池单元产生用于激活保护装置的信号并且传达到相关的保护装置或多个保护装置，该保护装置或多个保护装置分配给要旁路的电池单元。
根据本发明特别优选的实施方式的保护装置预先设置有激活装置，可通过信号激活该激活装置，该信号由至少一传感器产生，该传感器测量至少一物理量，该物理量表明电池单元的工作状态，该电池单元分配有保护装置。该传感器例如可为温度传感器，其配置在每个电池单元中并且持续测量其分配到的电池单元的温度。这里还给出了各种不同的方案来评估测量结果。
例如可能的是温度传感器局部地产生用于激活电池单元保护装置的信号，该传感器持续地测量电池单元的温度。但是同样可能由中央控制器一起评价该传感器和/或其他传感器，例如温度和电压传感器的测量结果，来借助特殊决策逻辑根据多个测量结果产生用于激活单个电池单元的保护装置的信号，接着将该信号传达到该电池单元的保护装置的激活装置并且在那激活相关的保护装置。
根据本发明同样优选的实施方式，保护装置预先设置为当随后不需要时可取消其用于激活的激活装置的激活，紧接着该保护装置相反地桥接分配到的电池单元，借此该电池单元重新集成到电池组中。根据本发明保护装置的激活装置也可优选地这样实施，例如相关的电池单元冷却之后使其重新接入到电池组。为此所需的能量可例如从此时重新工作的电池单元自身或从电池组中剩余的其他电池单元中取出。优选地当接入时可令用于激活保护装置的储能器重新充电。
根据本发明同样优选的实施方式，预先设置保护装置，其这样实施，可将其设置在相邻电池单元的电极终端之间。图3、4、8、10和11示出了本发明该实施例的视图。
根据本发明同样优选的实施方式，预先设置具有激活装置的保护装置，其包括熔断丝，该熔断丝使作为储能器的波状弹簧保持紧绷状态并且其通过电流脉冲激活，该电流脉冲使熔断丝熔断，紧接着该波状弹簧放松并且同时使用于改变互相连接所需的能量可用。该储能器的机械结构例如相比于激活装置的外部主动控制-特别强大地对抗干扰并且—由于不用考虑信号线—低成本地制造。
此外根据本发明的保护装置优选地具有气密密封的壳体。根据本发明的保护装置特别优选地其壳体充满惰性的保护气体。
与充满外界空气的壳体相比，合适地选择保护气体通常更好地防腐蚀。
图5示出了具有根据本发明保护装置的电池单元501。电极503和504通过合适的接触片506和507与导电轨509连接。当激活电池单元501的保护装置时波状弹簧508改变接触片507的位置。
图6示出了根据本发明具有电极603、604，波状弹簧608以及接触片606和607的保护装置的放大视图。如图7中所示，波状弹簧708设置在支架710上，该支架可使当熔断丝711熔断时放松的波状弹簧不向下偏移，因此该支架在激活保护装置时必须向上挤压电极704的接触片707。
从图8中可以清楚地看出，在激活前接触片707或807与相邻电池单元802的接触片806接触。激活之后其通过熔断丝811的熔断与导电轨805接触。
图9a、9b或12a和12b的侧截面图示出了激活之前或之后的根据本发明保护装置的同一实施方式。图9a或12a示出了图9b或12b中示出的截面的关系。
在附图中使用以下附图标记来辨认图示的细节：
201、301、801、1001、1101、1201
原电池，电池单元
202、302、802、1002、1102、1202
原电池，电池单元
203、503、603、803、1003、1103、1203
电极，导电体，导电片
204、504、604、704、1104
电极，导电体，导电片
205、405、805、905、1005、1205
导电轨，接触元件
206、406、506、606、706、806、1106
电极的接触片
207、407、507、607、707、807、907、1007、1107、1207
电极的接触片
208、408、508、608、708、808、908、1008、1108、1208
波状弹簧
209、409、509、709、1009
导电轨，接触元件
910、1110、1210
波状弹簧的支架
911、1011、1111、1211
熔断丝
212、1012、1212
导电轨，接触元件
1013
电极的接触片
214、1014
电极的接触片
1230
熔断丝的断裂点
390
图4中图示的图3的细节
图2、3、4、8、10和11示出了具有根据本发明的保护装置的电池单元的电池的实施例。该电池优选地由多个保护装置组成，该保护装置设置在电池的相邻电池单元之间。此外预先设置用于电池的电池单元的串联连接和/或并联连接的互相连接的多个接触元件。该接触元件的第一部分设置为可移动的；该接触元件的第二部分设置为不可移动的。第一电池单元的保护装置的激活导致了可移动的第一接触元件在保护装置激活时移动并且朝向不可移动的第二接触元件按压，借此第一电池单元被旁路并且因此从串联连接中电性去除，其中该第一接触元件在激活之前用于电性串联相邻的第二电池单元。
适用于本发明的所有实施例，损坏的电池单元的旁路或断开、激活装置的控制或类似任务可在本发明实际实现的情况下优选地借助半导体元件而实施。例如半导体开关元件，例如晶闸管或场效应晶体管(例如功率MOSFET)很好地适用于该目的。这优选地可由温度传感器通过电子控制设备来电性控制。

Claims (15)

1.一种原电池(201、202、301、302)保护装置，其通过与电池单元的电极终端(203、204、503、504)以适当方式连接的接触元件(205、207、209、212、405、409、406、407、506、507、509、606、607、707、709、805、806、807、809)而与电池相连接，其特征在于，
-保护装置利用激活装置(708、710、711)来激活保护装置，
-在激活保护装置时，该保护装置通过改变连接来旁路分配给该保护装置的电池单元并从而将其从电池组中电性去除。
2.根据权利要求1所述的保护装置，其包括储能器，该储能器存储用于改变连接所需的能量并且在激活保护装置时可用。
3.根据权利要求2所述的保护装置，其具有机械储能器(708、808、908、1008、1108、1208)。
4.根据前述任一权利要求所述的保护装置，其能够分配给电池的单个电池单元。
5.根据前述任一权利要求所述的保护装置，其具有激活装置，该激活装置能够通过在保护装置外部产生的信号来激活。
6.根据前述任一权利要求所述的保护装置，其具有激活装置，该激活装置能够通过在保护装置内产生的信号来激活。
7.根据前述任一权利要求所述的保护装置，其具有激活装置，该激活装置能够通过由至少一个传感器产生的信号来激活，该传感器测量至少一个物理量，该物理量表明分配给该保护装置的原电池的工作状态。
8.根据前述任一权利要求所述的保护装置，当随后不需要时能够取消用于其激活的激活装置的激活，紧接着该保护装置相反地桥接分配到其的电池单元，借此该电池单元重新集成到电池组中。
9.根据前述任一权利要求所述的保护装置，其这样实施，即其能够设置在相邻电池单元的电极终端之间。
10.根据前述任一权利要求所述的保护装置，其具有激活装置，
-其包括熔断丝(911、1211)，该熔断丝使作为储能器的波状弹簧(908、1208)保持在紧绷状态，且
-其通过电流脉冲来激活，该电流脉冲使熔断丝熔断(1230)，紧接着波状弹簧放松并且同时令用于改变连接所需的能量可用。
11.根据前述任一权利要求所述的保护装置，其具有气密密封的壳体。
12.根据权利要求11所述的保护装置，其壳体充满保护气体。
13.一种原电池，其具有根据权利要求1到12任一项所述的保护装置。
14.一种基于根据权利要求13所述的原电池的电池。
15.一种根据权利要求14所述的电池，其特征在于，
-在电池的相邻电池单元之间设置多个保护装置，
-提供多个用于电池的电池单元串联连接的接触元件，
-可移动地设置该接触元件的第一部分，
-不可移动地设置该接触元件的第二部分，并且
第一电池单元的保护装置的激活导致可移动的第一接触元件在该保护装置激活时移动并且朝向不可移动的第二接触元件按压，借此第一电池单元被旁路并且因此从串联中电性去除，其中该第一接触元件在激活之前用于电性串联相邻的第二电池单元。
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