CN103443967A - 带电流中断装置的电化学储能单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电化学储能单元，其具有电流中断装置，该电化学储能单元用于中断至少一个为使储能单元工作而设置的、储能单元的电接头。此外，储能单元具有放电装置，当至少一个为使储能单元工作而设置的、储能单元的电接头通过电流中断装置中断时，放电装置使得储能单元能够完全放电或部分放电。由此，使得存储单元能够放电，从而使得储能单元能够安全运输和安全存放，同时还防止可能因过载而受损的储能单元继续工作。

Description

带电流中断装置的电化学储能单元

优先权申请DE102011015829.4的全部内容在此通过引用的方式并入本申请。

本发明涉及一种电化学储能单元，其具有电流中断装置，该电流中断装置用于中断至少一个为使储能单元工作而设置的、储能单元的电接头。

本发明中所说的电化学储能单元被理解为一种将电能以化学能形式存储并将其以电流形式输出的设备。在这种情况下，所述单元可以是可充电的单元，例如锂离子单元，也可以是不可充电的单元，例如碱性电池单元。

所涉及类型的电化学储能单元在常见实施方式中以如下方式构成：所述储能单元具有一个由构成为扁平状的阳极和阴极所组成的电极排列，其中阳极和阴极相互交替地紧密排列，并且其中每两个相邻电极用同为扁平状的分隔物隔开。由电极和分隔物组成的排列用电解质（尤其是液态的电解质）填充，并且由坚硬的抑或是柔性的壳体所包围。

从储能单元导出电能和/或将电能导入储能单元都要经与电极相连接的电导体来进行，全部的或一部分的阳极或阴极都捆绑有导体，并且作为两个或多个电接接头从单元壳体穿出。储能单元在输出电能的工作中能够通过电接头放电到用电器，或者——如果是可充电的储能单元——还能够被充电。此外，储能单元还能通过这些接头，例如通过串联电路或并联电路，与其它储能单元互连到一起形成电池模块。

上一段中提到的储能单元的电接头（也可称为电流导体或极）在本发明中视为为使储能单元工作而设置的、储能单元电接头。

当电化学储能单元工作时，在某些情况下（尤其是当可充电的储能单元过度充电时）可能在单元壳体内有相当强的发热作用和/或产生气体。其后果是最终会导致过热，并且在极端的情况会导致着火或者过压，并且在极端的情况下会导致储能单元发生爆炸。这两种情况都表明储能单元的工作存在极大的安全隐患。

除了用合适的冷却设备将产生的热量排出或用合适的排气装置将产生的气排出外，在这两种情况下还有利的是：立即将通过为储能单元工作而设置的电接头进行的将电能进一步导入或导出储能单元这一过程中断，并由此例如中断过载。

所谓的“电流中断装置”（CID）就用于此目的，当储能单元发生过热或过压，比如引起过载时，所述电流中断装置就能将为工作而设置的电接头中断，继而将电流流入或流出储能单元这一过程中断。这种CID还可与防止过热或过压的设备耦合，例如与可破裂膜片式的安全阀耦合，即膜破裂的同时电导体也断裂。此外，CID也可通过机电的、电气的或电子的元器件（例如场效应管（MOSFET））亦或其它晶体管、保险丝、开关或继电器来实现。

在下文中，所述类型的设备就称为电流中断装置。

传统的CID在使用时存在这样的问题：即其通常是不可逆的，也就是说其只能触发一次，其中通过CID的触发就不可挽回地丧失了再将电能导入或导出储能单元的能力。

主要由于这个原因，导致问题产生，因为当CID被触发时，储能单元通常充满了电并因此包含大量的能量。同时，储能单元甚至可能会因过载以及与过载相关的热量/气体的生成而受到损害。特别地，当储能单元内部产生所谓的“热点”（发热作用特别高的地方）或发生短路时，不仅会有危险，此外还可能对储能单元的处理造成影响，这是因为有危险的和/受损的储能单元不可以被运输或随意存放。

在不可逆地触发CID之后，就不能再以可控制地放电的形式从储能单元内将其所存储的能量导出，使得其不能够将所述危险消除。

在另一方面，还已知的是要设计一种可逆的CID，这主要是考虑到在CID触发后，在一般工作时仍要能够使用储能单元。

因此，例如在US2007/0275298A1中就描述了这样一种电化学单元，其具有可通过受热变形的材料所制成的封闭板和降压阀，其中在单元过热时，封闭板能同时开启降压阀并中断单元的电路。当单元温度恢复到正常值时，封闭板又返回其初始形状并恢复被中断的电路。

此外，US5,998,051建议一种——最好是不可逆的，但也可以是可逆的——CID，其特别了使用记忆金属或者双金属。

对于现有技术的两种解决方案而言，均存在这样的问题：即CID触发之后，储能单元虽然仍能够放电，但同时可能会因过载而受到损害，并且尽管仍能够继续工作，但会造成安全隐患。

此外，在这两种解决方案中，通过降低储能单元内的温度或压力，可使CID复位并由此解除电流中断，并因此，CID的复位和电流中断的解除只会有条件地受到操作人员（例如维修人员或紧急情况时的救援人员）的影响。这会导致事故中的电动交通工具的蓄电池的放电不足以快得能够开展乘客的营救或交通工具的修复。

本发明旨在提高具有电流中断装置的电化学储能单元在工作时以及进行处理时的安全性。

根据权利要求1所述储能单元可实现此目的。从属权利要求中还描述了本发明有利的改进方案。

根据发明的储能单元具有放电装置，当通过电流中断装置将至少一个为使储能单元工作而设置的电接头中断时，所述放电装置能将储能单元完全放电或部分放电。

因此，事先充足电的储能单元最好放电至其最大容量的大约40-75%，因为这种电量状态就够在较短时间内使储能单元达到稳定状态并由此使得能够进行安全的运输和安全的存放。

根据本发明的电流中断装置在解除为使储能单元工作而设置的电接头的中断并由此使得储能单元能够（有潜在危险地）继续工作这一角度来看是不可逆的。根据本发明的放电装置仅提供了一种在非工作状态下将储能单元完全放电或部分放电的可能性。当储能单元从由它所驱动的设备（如电动交通工具）中移除时，才优选地通过放电装置来放电。

放电装置最好是由操作人员来启动，从而触发放电。放电的时间可随意选择；特别是操作人员不必等到如单元内的压力或温度降到特定值以下时才启动放电。

放电装置能够被完全安装在储能单元的壳体内，或者也可至少部分地安装在储能单元的壳体外。

作为上面所提情况的示例，本发明的一个特别优选的实施方式中的放电装置具有至少一个可从储能单元外部接触到的安全接触部，该安全接触部不同于为使储能单元工作而设置的储能单元的电接头。

然后，优选地能够通过将该安全接触部连接到另一安全接触部或者连接到电池的电接头来对储能单元进行完全放电或部分放电，这例如是通过使用电导体或使用在储能单元壳体以外合适的放电电路来桥接两个安全接触部或接头的方法来实现的。在这种情况下，可以方便地将安全接触部和在储能单元内部的电流导体连接起来。

同时，由于接触部（安全接触部或电接头）不同，则为了避免无意地或失误地操作储能单元，所述接触部最好是另外配备不兼容的不同插头和/或通过不同的外观（如不同的形状或颜色）来标识。

如果电流中断装置由电子元件来实现的话，则该电流中断装置也能够为至少一个安全接触部提供特殊的接头，则在这个接头处可连接电池内部的安全接触部。此外，通过电流中断装置内相应的电路布置能够确保例如只有在触发电流中断装置后，而不是在此之前，也就是说不是在储能单元正常工作期间，能够通过安全接触部对储能单元放电。因此在正常工作时，不存在经由安全接触部的无意放电的情况，由此进一步提高工作的安全性。

在本发明的另一特别优选的实施方式中，能够通过安全接触部测量储能单元的至少一个工作参数。这里所说的工作参数应该被理解为表示了物理瞬时值，特别是电压（例如静止电压）、电流或温度的储能单元参数。这种测量被用于监控和诊断储能单元的工作情况及其功能。

这里使用的安全接触部能够用来——甚至可能同时——对储能单元进行放电，或者也能够只为了测量工作参数而设置。

能够通过外部传感器（如电流传感器）或测量仪器，或者也能够通过集成到储能单元中的传感器或测量仪器来实现对至少一个工作参数的测量。在后面这种情况中，安全接触部最好本身不提供定义了工作参数的物理变量，而是要用（例如数字）被编码的形式描述工作参数。然后，再借助适当的数据传输协议能够由外部数据处理设备来查询该工作参数。

在本发明的另一特别优选实施方式中，通过至少测量一个工作参数能够确定储能单元的至少一个状态参数。状态参数可以被理解为描述了储能单元的状态并且有可能只可间接地（例如从至少一个工作参数中）推导出来的物理量，特别是充电状态、最大容量或内部电阻。为此，所测出的一个或多个工作参数通过（通常已知）计算规则和/或算法以合适的方式来进行处理和/或关联，以便确定至少一个状态参数。

由所测出的一个或多个工作参数来确定至少一个状态参数优选地通过外部数据处理设备，例如微处理器控制的测量仪器或计算机来实现。

上述类型的状态参数能够给操作人员提供关于对储能单元进行后续处理（例如运输、存放或回收）的重要信息。

不仅工作参数的测量而且状态参数的确定都能够通过使用储能单元供电的设备，例如电动交通工具，或通过固定装入其部件中的设备来实现。这种固定装入的装置例如能够安装在电池模块中，其中储能单元与其它储能单元集成在一起。

不言而喻地，在储能单元工作时，已经能够进行工作参数的测量或状态参数的确定，也就是说，其不依赖于电流中断装置的触发。借助于储能单元的工作参数和/或状态参数能够例如对电池管理系统进行操作。

在本发明的另一优选实施方式中，通过测量至少一个工作参数和/或确定至少一个状态参数可以检查储能单元的至少一个工作参数或状态参数是否在预定的参数范围内。例如检查是否符合容许的存放温度或是否符合运输所许可的静止电压。

在本发明的另一优选实施方式中，所述预定的参数范围在实践中能够取决于储能单元的类型（例如通过制造商、型号和批号来限定）。这使得有可能分别检查出每种类型的储能单元是否符合其对应的参数范围。

为了这个目的，在本发明的另一优选的实施形式中，储能单元的类型可通过至少一个测定的工作参数和/或至少一个确定的状态参数得出，这例如是通过将外部测量仪内所存的表格与用于本申请的储能单元的类型进行比较实现的。

这里，能够将储能单元的最大容量作为区分准则，其中为每种类型所用的区分准则的可能范围不应重叠，甚至相互间要有较大的间隔，以确保当前的储能单元明显属于已知类型中的某一类型。

在本发明的另一优选实施方案中，储能单元具有数据传输装置，其用于传输其中含有被编码的形式的储能单元的类型的数据。通过这些数据能够得出储能单元的类型。可通过安全接触部，最好以数字形式来实现传输被编码的储能单元的类型，这与前面描述的被编码的参数值的传输类似。

在另一个实施方式中，所述数据传输装置使用射频识别（RFID）技术。为此，储能单元有所谓的RFID标签，储能单元的类型以被编码的形式存储在该RFID标签中。通过外部的RFID读取装置能够无线地激活和/或读取RFID标签。通过使用已久的RFID技术保证了可靠且快速地传输和识别储能单元的类型。

在另一个优选实施方案中，放电装置具有至少一个在储能单元内部的安全接触部。这种布置所具有的优点在于，对于该安全接触部而言不需要其他穿过储能单元壳体的通孔，由此能够克服与之相关的可能的密封和/或腐蚀问题。

在另一个优选实施方案中，借助于在储能单元内的至少一个安全接触部能够从储能单元外部触发该储能单元的完全放电或部分放电。其发生过程最好是通过：将该安全接触部与另一个安全接触部、导体或在储能单元内的其他部件导电连接，并由此触发放电。

在放电时释放的能量最好转换为热，其通过储能单元的壳体借助于以任何方式存在的冷却设备被导走。由于储能单元的放电一般是在电流中断装置触发之后将储能单元移除状态下进行的，因此储能单元也能够和其它更高效的冷却设备耦合。

然而还可设想的是，在放电时产生的能量转换成不同于热能的别的能量形式的能量——例如高能微波辐射，或通过感应转换成随时间变化的磁场——并将其以这种形式导出储能单元壳体。

在本发明的另一优选实施方案中，借助于在储能单元内的至少一个安全接触部，通过从储能单元外部向储能单元的一处或多处施加的压力来实现触发放电。

为此，能够使用工具，如特殊的钳子，通过使用该工具最好能够向储能单元的壳体上被精确定义了形状的区域施加被精确定义了强度的压力。以这种方式避免了例如在运输或安装时由于储能单元操作不当导致的无意触发放电。

如若储能单元具有柔性的外套（例如所谓的袋状单元或咖啡袋状单元），则该实施方案可特别简单地实现。相反，如果储能单元具有刚性的外套，那么在壳体的特定部位设有通孔，其使用柔性的材料再次密封，以便从外部在其上施加压力来触发放电。

此外还可设想的是，用其它方式来触发放电，例如通过储能单元的特定活动（比如在一定程度上弯曲、拉伸、压缩或扭转）以及通过非机械方式（比如通过无线电波、声波或感应所传输的特殊信号）来触发放电。

在另一个优选实施方案中，放电装置具有用来防止在放电期间发生短路的器件，特别是至少一个电阻器。通过这些器件，也能够将放出的能量转换成别的能量形式（比如热能）以便将其导走。

特别地，如果从外部向储能单元内部的安全接触部施加压力来触发放电的话，那么还可在储能单元内置入防止电极/隔板布置受该压力影响的器件，例如在这些布置周围进行机械强化，以便防止储能单元内部发生短路。

根据本发明的储能单元的可能实施方案在下面部分的示意图中进行描述。其中：

图1示出了具有可从外部接触到的安全接触部的、根据本发明的储能单元。

图2示出了具有在内部的安全接触部的、根据本发明的储能单元。

图1示出了所谓的袋状单元1。该袋状单元1是一种扁平的矩形充电电池单元（例如锂离子单元），其具有交替层叠的并且被焊入由金属-塑料-复合材料构成的柔性外套2中的电极片和分隔物片。

单元工作时，通过负极3和正极4进行充电和放电，所述负极3和正极4作为薄金属箔在单元1端面处伸出外套2。

袋状单元1用于和多个其它的相同类型的单元以及其它的设备（比如冷却系统、电池管理系统、和用于机械保护单元的牢固的壳体）共同组成电池模块。在这种情况下，将多个单元串联成单元串以使单元电压倍增，此外还并联几个这样的单元串来提高电池的功率。

袋状单元1在其内部包括有电流中断装置（CID）（未显示），其在单元1过载时中断在电极排列与电极3、4之间的连接。

此外，在袋状单元1的长侧边处，安全接触部5、6也以薄金属箔的形式穿出外套2。当然，安全接触部5、6也有可能以其它形式排列，例如在单元的另一个侧边处或在多个不同的侧边处。

如果触发了CID并因此不能够再有电流流过电极3、4时，单元1仍能够通过安全接触部5、6进行放电。在这种情况下被释放出的电能能够通过电阻器转换为热，并通过在电池模块内存在的冷却系统将热导走。还有一种方法是在放电前将单元1从电池模块中移除。

图2示出了根据本发明的袋状单元1的另一实施例，该袋状单元1具有在单元内部的安全接触部（未显示）。在这种情形下，放电是通过在外套2中两个圆形区域7、8同时施加压力来触发的。每个区域7、8以下都有以电开关形式的、位于单元内部的安全接触部，所述电开关通过按压相应的区域7、8来将其接通。相比于其他区域，外套2在区域7、8中被实现为更薄一些并由此灵敏度更高一些，以便将施加在其上的压力有针对性地传递到位于其下方的安全接触部。这两个安全接触部串联连接，由此仅同时按压两个安全接触部可接通单元内部的电路，该电路致使单元1放电。

两个区域7、8最好是较小，从而使得在手动操作单元1时不会用手指意外触发位于这两个区域7、8下方的安全接触部。相反，要用两个薄的销钉或用特殊的钳子同时在区域7、8上施压来触发安全接触部。

由于在装配好的电池模块中，以节省空间的方式将单个单元1平面地并且彼此紧邻地排列，因此在根据图2的实施例中仅仅机械地排除了在单元1处于安装好的状态时该单元1通过安全接触部放电的情况。这是有利的，因为如果电池模块自身的冷却系统过载，当单元具有高能量密度时电池模块内的放电会引起导热问题。

参考标记列表

1     袋状单元

2     外套

3     负极

4     正极

5、6  安全接触部

7、8  外套中的圆形区域

Claims (14)

1.一种电化学储能单元，其具有用于中断至少一个为使储能单元工作而设置的、所述储能单元的电接头的电流中断装置，其特征在于，所述储能单元具有放电装置，当至少一个为使所述储能单元工作而设置的、所述储能单元的电接头通过所述电流中断装置中断时，所述放电装置使得所述储能单元能够完全放电或部分放电。

2.如权利要求1所述的电化学储能单元，其特征在于，所述放电装置具有至少一个能够从所述储能单元外部接触到的安全接触部，所述安全接触部不同于为使所述储能单元工作而设置的、所述储能单元的电接头。

3.如权利要求2所述的电化学储能单元，其特征在于，所述储能单元能够通过所述安全接触部被完全放电或部分放电。

4.如权利要求2或3所述的电化学储能单元，其特征在于，通过所述安全接触部能够测量所述储能单元的至少一个工作参数，特别是电压、静止电压、电流或温度。

5.如权利要求4所述的电化学储能单元，其特征在于，通过测量所述至少一个工作参数能够确定所述储能单元的至少一个状态参数，特别是充电状态、最大容量或内部电阻。

6.如权利要求4或5所述的电化学储能单元，其特征在于，通过测量所述至少一个工作参数和/或确定所述至少一个状态参数能够检查所述储能单元的至少一个工作参数或状态参数是否在预先给定的范围内。

7.如权利要求6所述的电化学储能单元，其特征在于，为所述至少一个工作参数或状态参数预先给定的范围与所述储能单元的类型有关。

8.如权利要求7所述的电化学储能单元，其特征在于，所述储能单元的类型能够通过至少一个被测定的工作参数和/或至少一个被确定的状态参数得出。

9.如权利要求7或8所述的电化学储能单元，其特征在于，所述储能单元具有数据传输装置，所述数据传输装置用于传输其中含有被编码的形式的储能单元的类型的数据，并且通过所述数据能够得出所述储能单元的类型。

10.如权利要求9所述的电化学储能单元，其特征在于，所述数据传输装置使用RFID技术。

11.如前述权利要求中任一项所述的电化学储能单元，其特征在于，所述放电装置具有至少一个在储能单元内部的安全接触部。

12.如权利要求11所述的电化学储能单元，其特征在于，借助于在所述储能单元内的所述至少一个安全接触部能够从所述储能单元外部触发所述储能单元的完全放电或局部放电。

13.如权利要求12所述的电化学储能单元，其特征在于，借助于在所述储能单元内的所述至少一个安全接触部通过从所述储能单元外部向所述储能单元的一处或多处施压来实现触发放电。

14.如前述权利要求中任一项所述的电化学储能单元，其特征在于，所述放电装置具有用于防止在放电期间发生短路的器件，特别是至少一个电阻器。

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