CN104025334B - 电池电芯、电池、机动车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有膜片(22)的电池电芯(10)。膜片(22)构造用于当在电池电芯(10)内部的压力升高时向外拱起并由此建立两个极(24、25)的导电连接。特征在于，在膜片(22)的外侧设置有导体(30)，并且该导体与电池电芯(10)连接，使得导体(30)通过向外拱起的膜片(22)在一侧被该膜片(22)抬起，使得极(24、25)通过导体(30)彼此导电连接。此外涉及一种包括多个根据本发明的电池电芯(10)的电池(14)和一种包括该电池(14)的机动车辆。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有安全膜片的电池电芯，该安全膜片构造用于当在电池电芯内部的压力升高时向外拱起并且由此建立两个极的导电连接。
此外，本发明涉及一种包括多个根据本发明的电池电芯的电池以及具有这种电池的机动车辆。
背景技术
已经呈现出，在将来无论在静止的应用中，例如风力设备，在设计为混合机动车辆或者电动机动车辆的机动车辆中，以及在电子设备中，如笔记本计算机或者移动电话，都将使用新的电池系统，在可靠性、安全性、效率和寿命的方面对该电池系统提出非常高的要求。
在具有至少部分的电力驱动装置的车辆中使用电储能器，用以为辅助驱动装置或者用作驱动装置的电动机存储电能。在最新一代的车辆中这里使用所谓的锂离子电池。它的特征首先在于高的能量密度和极小的自放电。锂离子电芯具有至少一个正电极和一个负电极(阴极或者阳极)，它们能够可逆地存储(嵌入)或者释放(脱嵌)锂离子(Li+)。
图1示出了怎样能够把多个单独的电池电芯10组装成电池模块12然后组装成电池14。这通过电池电芯10的极的未图示的并联或者串联实现。在这种情况下根据定义，电池模块12或者电池14由至少两个电池电芯10组成，其中术语电池14和电池模块12经常同义地使用。电池14的电压例如是12和750伏特之间的直流电压。
对于电池电芯，例如锂离子电池电芯，为了能够在机动车辆中进行传输和使用执行若干测试。首先还执行所谓的故障试验(极限测试)，以便能够评价电池电芯在极端情况下、例如交通事故情况下的特性。
为减弱故障试验的后果，在电池电芯内构建一种机构，其当电芯内的压力由于电池电芯的故障而增大时中断电池电芯内的电流流动。例如公知的是电流中断装置(currentinterruptive devices-CID)或者过载充电保护装置(overcharge safety device-OSD)。
US 6 497 978 B1示出了一种机械式电流中断的可能的实现方式。在圆柱形电池电芯的正极和与该正极导电连接的正电极之间构建一个安全机构。如果电池电芯内压力上升，则该电池电芯内的盖首先变形，由此断开正极和正电极之间的导电连接。在压力继续增加的情况下电池气体可以通过一个被刺破的薄膜逸出。
JP 5062664 A示出了一种机械式激活的安全装置的另一种变型。同样是圆柱形的电池电芯在它的正极的电芯盖上具有导电的膜片。当在电池电芯内的压力升高时该膜片伸展并且由此接触固定在电池电芯外壳上的悬臂，该悬臂以及电池电芯外壳都位于负极的电位。通过膜片与悬臂的接触，电池电芯被短路，由此例如停止继续过载。
图2示出了棱柱形电池电芯10的例子中的过载保护装置的一种类似的机构。它包括一个在导电的电池电芯外壳16内集成的、同样导电的膜片22，它在无错误的状态下向内拱起。另外电池电芯10包括一个与电池电芯外壳16电绝缘的极24(在该例中是负极)和一个与电池电芯外壳16导电连接的极25(在该例中是正极)。绝缘的极24与电池电芯外壳16的电绝缘通过绝缘件28保证，而连接的极25例如可以是电池电芯外壳16的一部分或者插入其内。如果给电池电芯10充电，则充电电流IC通过正极流入电池电芯10的化学活性的部分18内。
现在如果电池电芯10内的压力例如由于电池电芯10的过载而上升，则膜片22如图3所示向外拱起并且与电池电芯10的绝缘的极24上的悬臂26导电接触。由此两个极24、25彼此导电连接。该导电连接的电阻选取的足够小，使得过载电流IOC不再流经化学活性的部分18，而是流经电池电芯外壳16、膜片22和悬臂26。
然而电池电芯10同时通过两个极24、25短路。短路电流ISC流过膜片22和电芯外壳16并且在这种情况下能够损坏膜片22。为防止这点，在化学活性的部分18和极24、25之一(在该示例中是正极)之间构建一个保险装置20，它在短路电流ISC能够损坏膜片22前中断短路电流ISC。
发明内容
根据本发明提供一种具有膜片的电池电芯供使用。该膜片构造用于，当在电池电芯内部的压力升高时向外(在背离电池电芯的方向上)拱起，并且由此建立两个极的导电连接。特征在于，在膜片的外侧(在背离电池电芯的一侧上)设置有导体并且该导体与电池电芯连接，使得导体通过向外拱起的膜片在一侧被该膜片抬起，使得极通过导体彼此导电连接。
通常一个极与电池电芯外壳电绝缘(绝缘极)，而另一个极与电池电芯外壳导电连接(连接极)。绝缘极例如是负极，由此与电池电芯外壳连接的极是正极。然而也已知极性反转的电池电芯。
对于由膜片抬起的导体的接触部位例如可以是从绝缘极伸出的悬臂。该悬臂同时还构成用于被抬起的导体的末端止挡。在实际中膜片和导体的互相配合设定成，使得从电芯内的一定的压力起进行两个极的导电连接。该压力例如由于电池电芯的过载、在60Ah的电池电芯的情况下通常在150％的充电状态下达到。
本发明基于的认识是将膜片的单个的功能彼此分开。在迄今的电池电芯中，膜片用于识别负责建立两个极之间的导电连接以及充电和短路电流的电流传送的电池电芯内的高压力。通过分开这些功能并承担通过导体引导电流的功能实现一种可能性：不通过电池电芯内的保险装置来控制电池电芯的短路电流。由此能够实现无保险装置的过载保护装置。因此去掉了这样的风险：必须中断在电池电芯内多个串联的电池电芯的可能存在的、大的短路电流，这在有的情况下可能引起相当危险的电弧。
特别是当在安全膜片和导体之间设置一个优选的电绝缘件使得在两个电池极之间可能的电流必须流过导体时，进行这种功能的分开。该电流是在两个极之间建立起这两个极的导电连接后在电池电芯的化学活性部分之外流动的电流的总和。绝缘件例如可以用塑料制成，或者实施成膜片的涂层和/或导体的涂层。
例如在机动车辆中使用本发明的电池电芯的情况下能够向电池电芯传递冲击或者振动。这可能导致导体不必要的运动，由此可能引起导体与悬臂的意外接触。为避免这点，振动止动元件能够阻止导体可能的振动。它通过与导体的形状配合和/或摩擦配合阻止导体振动，但是在膜片向外扩展时可以容易地被完全克服。
此外，膜片具有的刚性优选使得该膜片在正常状态下在电池电芯的内部空间的方向上拱起而在电池电芯的内压足够的情况下突然向外反转。该特性例如在克服振动止动元件的情况下有用，因为反转的膜片的这种特征有助于振动止动元件的克服。
导体优选是板条。这表示导体简单且同时低成本的实现。
此外，导体优选在一端与电池电芯、特别优选地与电池电芯外壳焊接，以便实现与电芯外壳良好的和持久的电接触。因此，导体为了接触悬臂而可弯曲地设计。导体的固定点离膜片越远，用以通过膜片抬起的杠杆越大。
此外，电池电芯优选是锂离子二次电芯。锂离子二次电芯的特征在于大的能量密度和功率密度，这特别在电动汽车领域中带来另外的优点。
此外提供一种包括多个根据本发明的电池电芯的电池。
此外提供一种包括根据本发明的电池的机动车辆或者机动车辆设备，其中电池模块通常用于向车辆的电驱动系统供电。机动车辆设备可以是电池驱动的、例如多媒体设备。
本发明的有利的扩展方案在从属权利要求中说明或者从说明中得知。
附图说明
根据附图和随后的说明详细解释本发明的实施例。附图中：
图1示出了电池电芯、电池模块和电池(现有技术)，
图2示出了具有带有彼此分开的极的、具有过载保护装置的电池电芯(现有技术)，
图3示出了具有相互连接的极的、具有过载保护装置的电池电芯(现有技术)，
图4示出了具有彼此分开的极的、具有过载保护装置的本发明的电池电芯，
图5示出了具有相互连接的极的、具有过载保护装置的本发明的电池电芯，
图6示出了导体的一种可能的形状，以及
图7示出了导体的另一种可能的形状。
具体实施方式
已经根据图1、2和3说明了现有技术。
图4示出了本发明的电池电芯10的一个简化的横截面图。如已经从根据图2和3的现有技术中所知，电池电芯10包括与电池电芯外壳16电绝缘的极24(例如负极)和与电池电芯外壳16连接的极25(例如正极)。该绝缘的极24与电池电芯外壳16的电绝缘可以如图所示通过绝缘件28保证，相反与电池电芯外壳16连接的极25例如可以是电池电芯外壳16的一部分或者插入其内。极24、25与电池电芯10的化学活性的部分18导电连接。在膜片22的外侧在其上方设置有导体30，该导体在一侧在连接部位38(例如焊接部位)与电池电芯外壳16导电连接。绝缘的极24具有悬臂，该悬臂构造为用于导体30的末端止挡。在导体30和膜片22之间，例如在导体30上，可以设置有绝缘件32。
由于例如在车辆中当工作时电池电芯10的振动，可能需要振动止动元件34。它阻止导体30的振动从而阻止导体30与悬臂26的不必要的接触。振动止动元件34例如可以成形和设置成形状配合地禁止导体30的运动。同时必须保证，膜片22能够在电池电芯10内部存在压力时抬起导体30并且例如通过导体30或者振动止动元件34的弹性形变建立导体30与悬臂26的接触。
如果给电池电芯10充电，则充电电流IC通过正极流动并且流入电池电芯10的化学活性的部分18内。两个极24、25如上述与该化学活性的部分18导电连接，其中与现有技术不同，可以在电池电芯10的内部省去保险20。
如果在电池电芯10内的压力例如由于过载而升高时发生电池的故障，则膜片22向外拱起。如果膜片22具有足够的刚性并且在正常状态下根据图4向内拱起，那么它在足够的压力下会突然反转。通过膜片22的向外拱起，导体30在一侧被抬起，例如弯曲并且压在悬臂26上。在这种情况下通过膜片22施加的力足够大，以致克服有利地存在的振动止动元件34。通过导体30与悬臂26的接触，两个极24、25相互导电连接。
两个极24、25的导电连接的电阻应该足够小地选取，使得如图所示全部过载电流IOC流动通过该导电连接，并且因此不再到达化学活性的部分18内。然而同时该电阻还应该足够大地选取，使得仅一个受控的短路电流ISC流动，由此电池电芯10不会通过它被严重加热。满足这两个准则的所需要的电阻可以通过实验确定。
如果没有设置绝缘件32，并且如果悬臂26-导体30-电池电芯外壳16的串联电路的电阻小于悬臂26-导体30-膜片22-电池电芯外壳16的串联电路的电阻，则大部分的电流IOC+ISC已经流过导体30。由此，与现有技术相比膜片22的损坏已经不可能，由此可以省去保险装置20。然而如果全部电流应该流过导体30，则可以在膜片22和导体30之间设置一个已经提过的绝缘件32。这使得能够有目的地通过导体30调整两个极24、25之间的电连接的电阻。
图6示出了导体30的一种可能的形状。它可以作为板条构造并且设置在安全阀(Berstventil)36和与电池电芯外壳16绝缘的极24之间。导体30在它的一侧在连接部位38与电池电芯外壳16连接。该连接部位38例如可以以焊接连接的形式实现。为了保持对于抬起导体30所需要的力极小，有利的是尽可能大地选择从连接部位38到膜片22中点的距离。由此在抬起导体30时与没有导体30的结构相比，膜片22仅需花费不大的力。因此膜片22的特性与现有技术相比仅微小地改变。
图7示出了一种应用，用以在根据现有技术具有安全阀36的电池电芯外壳16的情况下在连接部位38和膜片22的中点之间提供还要更大的距离。为板条形式的导体30为此以叉形围绕安全阀36导引。现在连接部位38不再位于膜片22和安全阀36之间，而位于安全阀36旁边。由于连接部位38到膜片22的中点的更大的距离，与图6相比，在其他参数相同的情况下能够由膜片22更可靠地抬起导体30。此外与现有技术相比，过载保护装置的触发特性仅微小地改变。
Claims (8)
1.电池电芯(10)，该电池电芯包括：电池电芯外壳(16)，其具有膜片(22)，该膜片能够当在电池电芯(10)内部的压力升高时向外拱起；与所述电池电芯外壳(16)导电连接的第一极(25)；与所述电池电芯外壳(16)电绝缘的第二极(24)；以及导体(30)，所述导体与所述电池电芯外壳(16)的外侧直接接触，该导体与所述电池电芯外壳(16)电连接，所述导体(30)构造成在膜片(22)的向外拱起时，所述膜片(22)使得所述导体的至少一侧从所述电池电芯外壳(16)上抬起并且与所述第二极(24)形成直接接触，使得所述第二极(24)与所述第一极(25)电连接，其中，在膜片(22)和导体(30)之间设置有电绝缘件(32)，使得在两个极(24、25)之间可能的电流流过导体(30)。
2.根据权利要求1所述的电池电芯(10)，其中，振动止动元件(34)阻止导体(30)的振动。
3.根据权利要求1或2所述的电池电芯(10)，其中，导体(30)是板条。
4.根据权利要求1或2所述的电池电芯(10)，其中，导体(30)通过至少一个焊接部位与电池电芯(10)连接。
5.根据权利要求4所述的电池电芯(10)，其中，导体(30)通过至少一个焊接部位与电池电芯外壳(16)连接。
6.根据权利要求1或2所述的电池电芯(10)，其中，电池电芯(10)是锂离子二次电芯。
7.电池(14)，包括多个根据权利要求1到6之一所述的电池电芯(10)。
8.机动车辆或者机动车辆设备，包括根据权利要求7所述的电池(14)。
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