CN104303338A - 用于分离和/或跨接针对电池单池的端子的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于分离和/或跨接针对蓄电池单元（300）的端子（110，120，250）的一种装置（100），其中该装置（100）具有第一电极端子（110），其中该第一电极端子（110）可以通过该装置（100）与第一端子（120）相连接。该装置（100）包含有开关元件（130），其中该开关元件（130）构造用于在初级开关状态中在该第一电极端子（110）与该第一端子（120）之间建立电气连接，并在另一开关状态中在该第一电极端子（110）与该第一端子（120）之间断开所述电气连接。另外该装置（100）还包含有易损体（140），其中该易损体（140）具有一种非线性特征曲线，其中该特征曲线表示在物理量与该易损体（140）的强度之间的关系，其中该易损体（140）构造用于在完整状态下将该开关元件（130）保持于初级开关状态，并在损坏状态下引起该开关元件（130）切换到所述另一开关状态。

Description

用于分离和/或跨接针对电池单池的端子的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于分离和/或跨接针对电池单池的端子的一种装置。

背景技术

诸如锂离子电池的电池单池不应被继续充电到超过所允许的最大值。为了避免这个问题，该单池的端子或者被隔离（保护）或者被跨接。对损坏的或传感器可测量的功率下降的单池进行跨接同样可能是有意义的，以提高电池的总功率。现有技术是无源机械元件，其例如通过在单池中（不可逆）的过压而变形并从而被触发。通常的名称例如是英语的概念诸如“overcharge protection circuit（过度充电保护电路）”、“overcharge safe device(OSD)（过度充电安全装置）”或“current interrupt device(CID)（电流中断装置）”。在下文中用概念OSD来代替根据现有技术的这种保护装置的所有实施方式。

现有技术同样是玻璃安瓿瓶，其在消防洒水设备中在预定的温度下爆裂并激活洒水器。根据APIS提议还在现有电子技术中用作热保险装置。

EP 2 228 849 A1公开了一种可再充电的电池，其具有电极单元和其中安装有该电极单元的壳体，其中该壳体根据内部压力而变化。该电极单元包含有隔离器和第一和第二电极，该第一和第二电极布置在该隔离器的相对两侧上。

发明内容

在此背景下，通过本发明提出根据独立权利要求所述的用于分离和/或跨接针对电池单池的端子的一种装置以及用于分离和/或跨接用于电池单池的装置的端子的一种方法。有利的扩展由相应的从属权利要求以及下文说明得到。

根据一种实施方式，本发明涉及一种装置，其可以构建于电池单池（例如电动车辆的锂离子电池）中，并用于在内部隔离或跨接端子。在该装置中集成有由易损体和开关元件组成的机械安全元件，其中该开关元件可以通过改变诸如温度或压力的物理量来加以触发。根据本发明的装置有利地可以对不同的物理量进行反应。

本发明提供了用于分离和/或跨接针对电池单池的端子的一种装置，其中该装置具有第一电极端子，其中该第一电极端子可以通过该装置与第一端子相连接，其中该装置具有以下的特征：

开关元件，其中该开关元件构造用于在初级开关状态中在该第一电极端子与该第一端子之间建立电气连接，并在另一开关状态中在该第一电极端子与该第一端子之间断开该电气连接，

易损体，其中该易损体具有非线性的特征曲线，其中该特征曲线表示物理量与该易损体的强度之间的关系，其中该易损体构造用于在完整状态下使该开关元件保持于初级开关状态，并在损坏状态下致使该开关元件切换到所述另一开关状态。

电池单池可以理解为一种可再充电的电能存储器，诸如蓄电池。电池单池可以理解为一种可再充电的二次电池、二次元件或蓄电池。电池单池可以在电池中串联连接和/或并联连接。由电池单池所构建的电池可以应用在车辆中。所述车辆可以是汽车、例如小轿车、卡车、其他商用车、运输车辆或水上车辆、如船。车辆可以构造有混合驱动装置，或者其可以是电动车辆。该车辆可能具有至少一个电池来作为启动电池和/或牵引电池。一种装置可以由开关元件和易损体组成，或者至少包含有这两个元件。该装置可以称作机电单元和/或机械安全元件和/或机电安全元件。该装置可以作为单独的单元而存在，或者代替地是电池单池的固定组成部分。该装置的电极端子可以构造用于与电池单池的原电池的电极端子相连接。该装置的第一端子可以构造用于与电池单池的外部端子相连接。该装置的开关元件可以具有至少两个开关状态。该开关元件可以由完整的易损体保持于初级开关状态。在初级开关状态中，可以在该装置的第一电极端子与第一端子之间建立电气连接。该开关元件可以具有另一开关状态。在所述另一开关状态中在该第一电极端子与该第一端子之间的电气连接可以断开。如果该易损体不完整，也即损坏，那么该开关元件可以从该初级开关状态切换到所述另一开关状态。该易损体可以是空心体和/或安瓿瓶，其具有外壳，该外壳具有比易损体内部更高的强度。该易损体可以在其内部具有至少一种流体。该易损体也可以在其内部具有至少两种带有不同热膨胀系数的流体。如果该体在其内部具有至少两种流体，那么一种流体就可以是液体，至少第二种流体可以是气态流体，诸如空气。该易损体可以由具有非线性特征曲线的材料组成。该非线性特征曲线可以表示强度与物理量之间的相关性。强度在此可以理解为代表在没有该物理量的影响情况下该易损体原始形状变化的易损体特性；该易损体从而在该物理量不同强度的影响情况下强度不同（也即非线性）地变形。物理量例如可以理解为温度、压力、振动、冲击和/或加速。该易损体的完整状态可以理解为它的基本形状和/或该易损体未损坏的形状。该易损体可以不可逆地被变形和/或被损坏。该易损体作为机械安全元件的触发在此可以分离诸如电池单池的端子。有利的是，通过在此所提出的途径可以避免危险的状态，例如在应用于电池单池中时避免该电池单池的危险状态，象强烈的压力增加、危险的热失控、或“thermal runaway”，其中该装置可以作为无源保护机钩而导致跨接。该装置可以同时或代替地对诸如温度上升和/或压力上升的不同的危险状态进行响应。

本发明的以下实施方式也是有利的，其中该开关元件在所述另一开关状态中把该第一端子与第二端子相短接，其中该第二端子与第二电极端子相连接。通过这些端子的短接例如可以在把该装置应用于电池单池中时跨接该电池单池。

本发明的以下实施方式也是有利的，其中该开关元件构造用于把次级开关状态和/或第三开关状态看作为所述另一开关状态，其中该开关元件构造用于在该次级开关状态中断开在第一电极与该第一端子之间的电气连接，并在第三开关状态中把该第一端子与第二端子相短接，并断开在该第一电极与该第一端子之间的电气连接，其中该第二端子与第二电极端子相连接。在不同的事件中可以进行不同的响应。在此该易损体例如可以对压力和/或温度进行与对冲击和/或加速不同的响应。这可以通过适当的非线性特征曲线来实现。该易损体的特性也可以关于不同的物理量而具有不同的非线性特征曲线。该易损体可以由两个子体组成，其中该易损体可以构造使得在一种事件中仅损坏两个子体中的一个，并在另一事件中损坏两个子体。

另外，该易损体也可以构造用于通过在该体上超过压力阈值而从完整状态变换到损坏状态（也称作不完整状态）。压力上升或超过压力阈值可以理解为物理量。压力上升可以理解为该装置的环境压力上升。在该装置应用于电池单池中时，例如可以观测到由于该电池单池内部的温升而导致的压力上升，例如由于充电过程超过允许的最大值。从而可以通过对压力上升的响应来避免电池单池的爆炸。

对应于本发明的另一实施方式，该易损体可以构造用于通过温度上升而从完整状态变换到损坏状态。该易损体可以在超过预定义温度阈值时被损坏。该易损体内部的一种流体可以通过温度上升而膨胀，并把该易损体变换为不完整状态。

在附加的或代替的实施方式中，该装置具有加热线圈和用于该加热线圈的端子，其中该加热线圈布置在该易损体旁边，其中该加热线圈构造用于通过加热该易损体而将其从完整状态变成损坏状态。加热线圈可以理解为加热电阻。加热线圈可以理解为一种电气元件，其把电能转换为热能或热量。在用于该加热线圈的端子上可以布置用于该加热线圈的电气触发器。

另外，根据另一实施方式，该装置还可以具有压电触发器，其中该压电触发器布置在该易损体旁边，其中该压电触发器构造用于把该易损体从完整状态变成损坏状态。压电触发器可以理解为一种压电致动器，其中该压电致动器构造用于在施加相应电压的情况下来触发或损坏该易损体。

另外，该易损体还可以构造用于借助冲击和/或振动和/或变形而从完整状态变成损坏状态。借助冲击和/或振动和/或变形而变换到不完整状态的易损体可以理解为一种无源碰撞传感器。该易损体可以在出现高于预定义阈值的加速度时被损坏。这种加速度可能在发生事故时出现。其中布置有该装置的壳体的变形可能致使该易损体损坏，并从而触发该装置。该易损体的支架可以构造用于把冲击和/或变形和/或振动传递到该易损体。所述的传递可以借助尖锐的边缘和/或另一移动布置的部件来进行。

有利的是把电阻与该开关元件相并联，其中该电阻构造用于在该易损体的损坏状态下对该电池单池进行放电。电阻可以理解为用于实现欧姆电阻的双极无源电气元件。电阻可以具有比预定义阈值高的电阻。为了导致尽可能快地放电（并从而导致安全的状态），该电阻例如可以处于几毫欧的范围内，在极端情况下它甚至可以是近似短路（亚毫欧）。如果希望更缓慢的放电（也为了保持小的热负荷），可以在10m-1欧姆的范围内来选择电阻值。以这些值用约1小时把电动车辆的典型锂离子电池单池放电。

在附加的实施方式中，该第一端子的连接线路可以在与该易损体相邻布置的区域中作为相对于该连接线路的另一区域变薄的连接区域来构造，其中变薄的连接区域构造用于在电流上升时引起该易损体的加热，并把该易损体从完整状态变成损坏状态。

有利的还有，在一种实施方式中该易损体作为玻璃安瓿瓶来构造。该易损体作为玻璃安瓿瓶的实施方式可能是有利的，因为该材料不仅造价合理，而且对热变化、振动和/或冲击和/或碰撞以及压力以非线性强度特征曲线来进行响应。

另外，在特殊的实施方式中，该易损体可以布置在电池单池的单池内部，并且该开关元件相对于该单池内部而封闭地布置。所述单池内部可以理解为其中采用了本发明装置的装置或者体的内部空间，例如电池单池和/或燃料单池。通过把该开关元件与单池内部相密封地隔离，可以避免该开关元件的接触部被腐蚀。通过把该开关元件与单池内部相隔离，该开关元件的导电性可以变得更好以及更长。

在附加的实施方式中，该易损体可以填充有一种流体。在单池内部的流体可以具有与该易损体的环境和材料不同的热膨胀系数。该流体可以如此来构造，使得它在热输入时在预定义的温度阈值时膨胀，使得该易损体不损坏，并且该易损体的形状相对于它的基本形状变化。

另外，该流体还可以构造用于在该易损体的损坏状态下引起化学反应。该流体可以构造用于与另一流体和/或材料进行化学反应。例如该流体可以构造用于与例如电池单池中来自电解质的物质相化合，并从而进一步抑制和/或避免该电池单池的临界状态。

根据本发明的一种实施方式，本发明为用于分离和/或跨接针对电池单池的端子的装置提供了用于分离并同时或代替地跨接端子的一种方法，其中该方法具有以下的步骤：

响应于物理量来触发该易损体，其中该易损体从完整状态变成损坏状态。

所述方法的一个方面是，以电池单池为例通过有效地取出临界的和/或老化的电池单池来提高电池的安全性和功率。对于电池安全性，在此很有意义的是有源地触发对具有临界温度、临界压力和/或临界电压曲线的电池单池的跨接；对于电池功率（性能），在此很有意义的是有源地触发对严重老化的或出于其他原因而功率下降的、性能状态差的单池的跨接。

在此所提出的方法或具有用于实施该方法的设施的装置，用于连接传感器（测量值、超过极限值）和执行器（安装到电池单池、例如电动车辆的锂离子电池中的并用于在内部隔离或跨接单池端子的机械和可选电气的部件），以保证电池的最佳功率和安全性。

附图说明

下面借助附图示例地详细解释本发明。其中：

图1示意示出了本发明的实施例；

图2示意示出了本发明的另一实施例；

图3以电池单池为例示意示出了本发明的实施例；

图4示出了本发明实施例的一种方法的框图。

在下文对本发明优选实施例的说明中，对于在不同附图中示出的并且作用类似的元件采用相同或类似的附图标记，其中不再重复阐述这些元件。

具体实施方式

图1示意示出了本发明的实施例。图1示出了一种装置100，其用于分离和/或跨接针对电池单池的端子110、120。该装置100具有第一电极端子110、第一端子120、开关元件130以及易损体140。该开关元件由该开关元件130的固定部分132和经预紧的接触舌135组成。该经预紧的接触舌也可以称作可移动接触弹簧135。

该第一电极端子110与该开关元件130通过导线相连接。该第一端子120与该开关元件130通过另一导线相连接。该开关元件130在图1中以其初级开关状态来示出。通过该开关元件130在该第一电极端子110与该第一端子120之间建立电气连接。该开关元件130具有经预紧的接触舌135。该经预紧的接触舌135由该易损体140压到该开关元件130的固定部分132上并保持在该位置，其中该固定部分与该第一电极端子110相连接。

图1示出了处于完整状态的易损体。在未示出的该易损体的不完整（也即损坏）状态中，该可移动接触弹簧135从该开关元件130的固定部分132脱离，并且在该第一电极端子110与该第一端子120之间的电气接触断开或中断。

图2示意示出了本发明的另一实施例。与图1相比，图2示出了扩展的装置100，其用于分离和/或跨接针对电池单池的端子110、120。除了已经在图1中所示的第一电极端子110、第一端子120、具有固定部分132和经预紧的接触舌135的开关元件130以及易损体140之外，该装置100还具有第二端子250、加热线圈260、用于该加热线圈260的电气触发器265、高欧姆电阻270和变薄的连接区域280。

该第二端子250如此布置在该开关元件130的区域中，使得借助该经预紧的接触舌135可以在该第一端子120与该第二端子250之间建立电气连接。在图2所示的该开关元件130的初级开关状态中，没有建立至该第二端子250的电气连接。该加热线圈260平行于该易损体140来布置。该加热线圈260与用于该加热线圈260的电触发器265相连接。另外在该第一电极端子110与该第一端子120之间布置有高欧姆电阻270。在该经预紧的接触舌135与该第一端子120之间的导线在平行于该易损体140的区域中具有变薄的连接区域280。

图3以电池单池为例示意示出了本发明的实施例。在图2中已示出的该装置100的实施例用于分离和/或跨接针对电池单池300的端子110、120。该装置100布置在电池单池300内部。该电池单池具有原电池310。该原电池310也可以称作单池卷包310。该原电池310具有两个电极，其中一个电极与该第一电极端子110相连接，另一电极320与该第二端子250相连接。从该电池单池300中引出该第一端子120和第二端子250，并能够从该电池单池的外部来连接该第一端子120和第二端子250。

该原电池310的电极320永久地与该单池300的端子250相连接。该原电池310的电极110通过可移动接触舌135与端子120相连接。在超过限制（温度、电流、压力）时，玻璃安瓿瓶140就爆裂，并且该经预紧的接触弹簧135从该电极110上的端子132脱离，并可选地进一步与端子250形成短路。从而该原电池310被分离，并可选地把该单池300跨接。该装置100可以集成在电池单池300上或中。

在一种实施例中，该装置100可以采用玻璃安瓿瓶140，以分离和/或隔离电池单池300。该玻璃安瓿瓶布置在该单池内部，但接触部相对于单池内部密封地封闭，以避免接触部腐蚀。可选地在该玻璃安瓿瓶的内部填充有一种液体（密封地封闭）。该液体可以在流出时触发所期望的化学反应，例如与来自电解质的物质相化合，提高着火温度等。相对于目前所采用的一些解决方案，特别重要的优点是，为了进行触发所必要的欧姆电阻可以选择得明显更小（该电阻在正常运行时导致不期望的损耗）。在一些实施例中当例如在一种实施例中放弃变薄的连接区域280（在图3中没有变薄）时该电阻甚至可以为0。

另一优点是，对于通过内部压力而进行（无源的和/或有源的）触发不需要进行壳体壁改变。目前的系统在外壁上具有爆炸膜，其在压力上升时翻转，并触发故意的短路。为此例如必须改变单池盖以容纳该膜。

图4示出了本发明实施例的一种方法的框图。用于分离和/或跨接针对电池单池的端子的该方法400具有步骤410，即采用物理量来触发该易损体，其中该易损体从完整状态变换到不完整状态、也即损坏状态。

该方法400、或者用于实施该方法400的机电单元可以理解为用于无源和有源地分离和跨接电池单池以避免和/或降低故障情况的一种方法。

在此所提出的方法400或者用于实施该方法的机电单元以及在图1至3中所示的实施例的一个方面是采用关于电池单池的不同测量值和特征来控制单池中的执行器，该执行器能够可逆或不可逆地分离和/或跨接该执行器布置于其中的单池，以实现该单池的最佳的功率和最高可能的安全性。其结合了在此关联中至今还未采用的无源触发保护装置（热触发玻璃安瓿瓶）。

根据本发明的一种实施例，该方法400包含有触发步骤410，其中通过壳体中的压力上升（安瓿瓶爆裂）来进行触发，和/或通过单池中的温度上升来进行触发，和/或通过流过该单池的电流上升来进行触发（外部短路、图3中的变薄部位280温升并触发该安瓿瓶），其中该变薄位置280可以省略，如果不需要这种触发判据的话。另外，根据另一实施例，在该触发步骤410中可以进行电气触发。通过电流来加热图3中的加热线圈，并触发该安瓿瓶。从而可以把例如由触发器中的电子系统来分析的任何有意义的判据用于进行触发（例如老化）。其中代替该加热线圈使用一种压电材料，其中该压电材料在通过该触发器来施加电压的情况下改变其形状并打破该安瓿瓶。另外在一种实施例中也可以通过振动（冲击）和/或通过变形来进行触发。这是用于电池单池的新型“无源碰撞传感器”。如果在事故中出现高的加速度，那么该安瓿瓶就破碎。

如果在事故中该单池壳体变形，其中可以预计有非常严重的后果，那么这种变形就传递到该安瓿瓶上并导致破碎/触发。在一种实施例中该安瓿瓶的支架进行相应的形状构造，以把加速度和/或变形传递到该安瓿瓶上。例子：压到安瓿瓶中的尖锐边缘。尖锐边缘在大的加速度下移动并破坏该安瓿瓶。按照实施例，通过前述方法的全部或部分的组合来进行触发。在不同的事件中进行不同的响应。例子：在碰撞情况下有利的是，该单池被分离，而不是跨接。从而该单池中的一种无源机构可以隔离整个电池支路，并从而使电池保护变得可靠（冗余）。实施可能性：多于一个玻璃安瓿瓶、一个玻璃安瓿瓶但其根据该触发器而不同地破碎。在此可选的高欧姆电阻在触发之后导致对该单池进行缓慢的放电，并从而使该单池进入安全状态。

所述的以及在附图所示的实施例仅仅是示例选择的。不同的实施例可以全部或关于各个特征而相互组合。也可以给一个实施例增加另一实施例的特征。

另外，本发明的方法步骤可以重复以及与所述顺序不同地来实施。

如果一个实施例在第一特征和第二特征之间包含有“和/或”连词，那么这就可以解读为，根据一种实施方式，该实施例不仅具有该第一特征，而且还具有第二特征，以及根据另一实施方式，其或者仅具有该第一特征，或者仅具有该第二特征。

Claims (15)

1.用于分离和/或跨接针对电池单池（300）的端子（110，120，250）的装置（100），其中该装置（100）具有第一电极端子（110），其中该第一电极端子（110）能够通过该装置（100）与第一端子（120）相连接，其中该装置（100）具有以下的特征：

开关元件（130），其中该开关元件（130）构造用于在初级开关状态中在该第一电极端子（110）与该第一端子（120）之间建立电气连接，并在另一开关状态中在该第一电极端子（110）与该第一端子（120）之间断开该电气连接；以及

易损体（140），其中该易损体（140）具有一种非线性特征曲线，其中该特征曲线表示在物理量与该易损体（140）的强度之间的关系，其中该易损体（140）构造用于在完整状态下将该开关元件（130）保持于初级开关状态，并在损坏状态下引起该开关元件（130）切换到所述另一开关状态。

2.根据权利要求1所述的装置（100），其中该开关元件（130）在所述另一开关状态中使该第一端子（120）与第二端子（250）相短接，其中该第二端子（250）与第二电极端子（320）相连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置（100），其中该开关元件（130）构造用于将次级开关状态和/或第三开关状态看做为所述另一开关状态，其中该开关元件（130）构造用于在次级开关状态中断开在该第一电极端子（110）与该第一端子（120）之间的电气连接，并在第三开关状态中把该第一端子（120）与第二端子（250）相短接，并断开在该第一电极端子（110）与该第一端子（120）之间的电气连接，其中该第二端子（250）与第二电极端子（320）相连接。

4.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中该易损体（140）构造用于通过在该易损体（140）上超过压力阈值而从完整状态变换到损坏状态。

5.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中该易损体（140）构造用于通过温度上升而从完整状态变换到损坏状态。

6.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其具有加热线圈（260）和该用于加热线圈（260）的端子（265），其中该加热线圈（260）布置在该易损体（140）旁边，其中该加热线圈（260）构造用于通过加热该易损体（140）而将其从完整状态变成损坏状态。

7.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其具有压电触发器，其中该压电触发器布置在该易损体（140）旁边，其中该压电触发器构造用于将该易损体（140）从完整状态变成损坏状态。

8.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中该易损体（140）构造用于借助冲击和/或振动和/或变形而从完整状态变成损坏状态。

9.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中电阻（270）与该开关元件（130）相并联，其中该电阻（270）构造用于在该易损体（140）的损坏状态下给该电池单池（300）放电。

10.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中该第一端子（120）的连接线路在与该易损体（140）相邻布置的区域中作为相对于该连接线路的其他区域变薄的连接区域（280）来构造，其中该变薄的连接区域（280）构造用于在电流上升时引起该易损体（140）升温，并从而将该易损体（140）从完整状态变成损坏状态。

11.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中该易损体（140）作为玻璃安瓿瓶来构造。

12.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中该易损体（140）布置在电池单池（300）的单池内部中，并且该开关元件（130）相对于单池内部密封封闭地布置。

13.根据前述权利要求之一所述的装置（100），其中该易损体（140）填充有一种流体。

14.根据权利要求13所述的装置（100），其中该流体构造用于在该易损体（140）的损坏状态下引起化学反应。

15.用于针对根据前述权利要求之一所述的装置来分离和/或跨接端子的方法（400），其中该方法（400）具有以下的步骤：

响应于物理量来触发（410）该易损体（140），其中该易损体（140）从完整状态变成损坏状态。