CN105190947B - 具有可复位的安全装置的蓄电池及用于其的合适极柱螺栓 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种蓄电池，其具有外壳、至少一个单独的电池以及穿过外壳的至少一个正极柱螺栓和/或负极柱螺栓，所述至少一个单独的电池具有至少一个正电极和至少一个负电极，所述单独的电池设置在所述外壳中。蓄电池包括至少一个电气开关，其可气动操作并在所述外壳内的压力增加超过阈值的情况下改变其开关状态，并在该过程中，中断所述极柱螺栓中的至少一个极柱螺栓和相关联的至少一个电极之间的已有电连接。该蓄电池的特征在于其包括复位装置，利用复位装置可重新建立由于开关状态的变化而中断的电连接，而不必为此目的打开外壳。本发明还描述了一种适合于所述蓄电池的极柱螺栓。所述极柱螺栓包括头部和轴，头部具有两个相反的平直侧，轴从其中一个平直侧延伸出并具有自由的轴端，并且其特征在于头部内的空腔、限定空腔的不透气的隔膜以及穿过轴的通道孔，所述通道孔通到空腔中。

Description

具有可复位的安全装置的蓄电池及用于其的合适极柱螺栓

说明书

本发明涉及一种蓄电池，其具有外壳，具有至少一个正电极和至少一个负电极的至少一个单独的电池设置在该外壳中。极柱螺栓穿过外壳，其电连接至所述至少一个正电极或所述至少一个负电极。蓄电池具有电气开关，其可气动操作，并在外壳内的压力增加超过阈值的情况下改变其开关状态，并在该过程中，中断其中至少一个极柱螺栓和相关联的至少一个电极之间的电连接。根据第二方面，蓄电池涉及适合这种类型的蓄电池的极柱螺栓。

用语“蓄电池”最初指串联连接的多个电化学电池。然而，现在单独的电化学电池(单独的电池)时常被称为蓄电池。当电化学电池放电时，发生提供能量的化学反应，所述反应由两个部分反应组成，它们彼此电耦合在一起，但物理上是彼此分离的。电子在氧化过程中在负电极处被释放，这导致电子跨过外部负载流向正电极，正电极吸收对应数量的电子。因此，还原过程发生在正电极处。同时，与电极反应对应的离子电流出现在电池内。这种离子电流通过传导离子的电解质来保证。这种放电反应在二次电池和蓄电池中是可逆的，也就是说有可能使放电期间发生的化学能到电能的转换逆向。

在已知的二次电池中，尤其通过锂离子电池实现了相当高的能量密度，也就是说，在该电池中，锂离子在充电和放电过程期间从一个电极迁移到另一电极。这种类型的电池尤其适合于用在便携装置(例如移动电话和笔记本)中。然而，它们作为用于机动车的能源也具有特别的意义。

锂离子蓄电池的电池通常具有可燃成分。例如，锂离子电池的电解质时常包括有机溶剂(例如像碳酸乙烯)作为主要成分。结合这种类型的电池的高能量密度，这形成了不应低估的潜在危险。因此必须采取特殊的安全措施以便能够排除用户的风险，或者至少使所述风险保持尽可能地轻微。

锂离子电池可进入临界状态，在临界状态中，在某种情况下存在点燃的风险，尤其当它们被机械损坏时或者由于过度充电。锂离子电池的过度充电可导致金属锂沉积在负电极的表面上，并且还可能导致容纳在电池中的电解质的破坏。后者可导致严重的电池放气。在极端的情况下，这导致对包围电池的外壳的损坏。结果，湿气和氧可进入电池，并且这可导致爆炸性燃烧。

为了避免这种情况，通常给锂离子电池提供安全装置。用于电子监测可再充电锂离子电池的操作安全性的合适电路装置是已知的，例如从DE10104981Al已知。使用熔丝以用于增加锂离子蓄电池的安全性是从DE102008020912Al已知的。DE102007020905Al公开了具有放电导体的电池，放电导体设置在薄的塑料膜上，并且其具有预定的断裂点。如果薄膜由于例如电池放气而变形，那么放电导体会在预定的断裂点遭到破坏，其结果是电池不可逆地且永久地失效。

熔丝和安全措施(在其中破坏或中断电接触)已知是非常可靠的。然而，一个问题在于，在这种类型的安全装置跳闸之后，蓄电池初始地保持在临界的可能仍危险的状态。此外，因为所述安全装置是不可逆跳闸，所以在这种状态下通常不可能主动地改变任何事情。

本发明因此基于提供蓄电池、尤其是锂离子蓄电池的目的，其中实现了一种可靠且简单的安全方法，其考虑了所列举的问题。

这个目的通过具有权利要求1的特征的蓄电池来实现。在从属权利要求2至9中指出了根据本发明的蓄电池的优选实施例。此外，如权利要求10中申请保护的极柱螺栓也有助于解决所述的问题。在从属权利要求11和12中指出了根据本发明的极柱螺栓的优选实施例。因此，所有权利要求的用语都通过引用而包含在本说明书中。

类似于介绍部分中所提到的普通类型的蓄电池，根据本发明的蓄电池也具有外壳，其中具有至少一个正电极和至少一个负电极的至少一个单独的电池设置在外壳中。该单独的电池优选是基于锂离子的电池。因此，根据本发明的蓄电池优选是锂离子蓄电池。根据本发明的蓄电池的应用领域尤其可在机动车领域中找到。因此，根据本发明的蓄电池优选是机动车蓄电池。

该单独的电池优选以复合物的形式存在，其按照正电极/分离器/负电极的顺序包括电极和隔箔。在这种情况下，电极优选地包括金属集电器，其通常以两维或三维片状结构的形式存在。在锂离子蓄电池中，由铝(例如挤压的铝或穿孔的铝箔)构成的网状物或箔片优选地大致定位在正电极侧上。由铜构成的网状物或箔片通常用在负电极侧上作为集电器。原则上，蓄电池可包含电池堆叠(其包括多个平直的单独的电池)以及缠绕的单独的电池(线圈)。

外壳保护所述至少一个单独的电池免于其周围区域的影响，并且优选是气密和液密的。

根据本发明的蓄电池的固定组成部分通常是正极柱螺栓和负极柱螺栓，其根据本发明均穿过蓄电池的外壳突出到外壳内部中。在这种情况下，根据本发明的蓄电池具有正极柱螺栓和负极柱螺栓。然而，还可能使外壳本身用作正极或负极。出于这个目的，所述外壳必须是导电的。然而，所述外壳优选由金属构成，尤其由铝或铝合金构成。在这种情况下，根据本发明的蓄电池还可只有正极柱螺栓或只有负极柱螺栓。

正极柱螺栓，尤其是正极柱螺栓的设置在外壳内的那部分有可能电连接至所述至少一个正电极。负极柱螺栓，尤其是负极柱螺栓的设置在外壳内的那部分有可能电连接至所述至少一个负电极。极柱螺栓通常通过绝缘化合物(例如DE10047206Al中所述的)与外壳电气地和机械地分离。如果以这种方式隔离两个电极，那么外壳本身没有电势。

下面将进一步详细描述极柱螺栓的优选实施例。然而，开始之前应该提到的是，使极柱螺栓或其中至少一个极柱螺栓在其外部具有螺纹是特别优选的。以这种方式成形的极柱螺栓可穿过孔或备选通道(其穿过根据本发明的蓄电池的外壳的壁)并通过例如螺母固定在孔或通道中，螺母拧紧到螺纹上。

根据本发明的蓄电池包括至少一个电气开关，该电气开关可气动操作，并在外壳内的压力从初始值开始增加超过阈值的情况下改变其开关状态，并在该过程中，中断在其中至少一个极柱螺栓和相关联的至少一个电极之间的电连接。因此，在本发明中还利用了电池的放气，这种放气出现在例如过度充电的情况下。产生的气体用作“工作介质”，并可将压力施加于可气动操作的电气开关上，直至所述开关状态的变化发生。以下是用于设计可气动操作的电气开关的特别说明。

根据本发明的蓄电池的特别之处在于，其包括复位装置，利用该复位装置可重新建立由于开关状态的变化而中断的电连接，而不必为此目的打开外壳。

换句话说，所述可气动操作的电气开关具有第一开关状态和第二开关状态，在第一开关状态下，在其中一个极柱螺栓和相关联的至少一个电极之间存在电连接，在第二开关状态下，所述电连接被中断。复位装置必须设计和/或设置成这样的方式，使得其可使开关从第二开关状态返回到第一开关状态(其中，中断的电连接被重新建立)，而无须如所述那样打开外壳。根据这种措施，例如，有可能使在可气动操作的电气开关跳闸之后处于临界状态的蓄电池以受控的方式放电。

该至少一个可气动操作的电气开关优选地包括两个物理上彼此分开的电接触元件。其中一个接触元件优选地连接到至少一个正电极或至少一个负电极，并且另一接触元件优选地连接到在极性方面相对应的极柱螺栓上。在特别优选的实施例中，其中至少一个接触元件还可为极柱螺栓的一部分或极柱螺栓本身。此外，开关包括导电的连接元件，其在第一状态(与所述第一开关状态相对应的那种状态)下将两个接触元件连接，并且由于压力的增加可移动至第二状态(与所述第二开关状态相对应)，在第二状态下中断与其中至少一个接触元件的接触。

连接元件优选是所谓的双稳态连接元件。稳态连接元件应理解为意味着连接元件可采用两种可能的稳定状态(在这种情况下是第一状态和第二状态)。从第一状态至第二状态的切换可能仅通过第一外部脉冲，例如所述外壳中的压力增加。在切换之后，即使当第一脉冲不再作用在连接元件上时，连接元件仍保持在第二状态下。返回到第一状态只在连接元件遭受第二外部脉冲时发生，第二外部脉冲不同于第一外部脉冲，例如压力降低到初始值以下。

连接元件尤其优选是不透气的隔膜，尤其是双稳态不透气的隔膜。如果压力施加到这种类型的隔膜的一侧，那么隔膜将在没有施加压力的一侧的方向上弯曲。给定所述电接触元件的相应布置，该过程中发生的变形可导致所述电接触元件之间的电连接的中断。

在双稳态隔膜的情况下，由于压力，所述隔膜从第一稳定状态移动至第二稳定状态，第一稳定状态例如为凸起的(或凹入的)布置，第二稳定状态例如为凹入的(或凸起的)布置，其甚至在压力施加停止并且重新建立初始压力时仍保持在第二稳定状态下。

该至少一个极柱螺栓尤其优选地具有空腔，其部分地由连接元件限定。连接元件因此是极柱螺栓的组成部分。具体而言，可以这样说，可气动操作的电气开关至少部分地整合到极柱螺栓中，同时如上面所述，其中一个接触元件也是极柱螺栓的一部分或者是极柱螺栓本身。换句话说，极柱螺栓包含可气动操作的电气开关的至少一部分(除了第二接触元件之外)。

空腔尤其优选地设置在极柱螺栓的设置在外壳内的那部分中，使得连接元件从根据本发明的蓄电池的外壳内部限定空腔。

如果连接元件是隔膜，尤其是双稳态隔膜时，优选的是，所述隔膜在上面限定的第一状态(或所述第一开关状态)下凸起地弯曲到内部中，并且在转变至上面限定的第二状态(或所述第二开关状态)期间变为凹入的构造，这种转变是外壳内的压力增加的结果。为了确保在这种情况下使至少一个极柱螺栓和相关联的至少一个电极之间的电连接发生预期的中断，其中一个所述接触元件优选以这样一种方式设置，使其仅仅在所述隔膜处于第一状态(凸起)时才与隔膜相接触。

极柱螺栓尤其优选地具有孔作为复位装置的一部分，所述孔将空腔和所述隔膜连接到外壳的外部。孔用于使连接元件(尤其是隔膜)从所述第二状态移动至所述第一状态。

复位装置优选是流体操作的(即，气动的或液压的)复位装置或机械复位装置。在第一种情况下，孔和/或空腔由液体或气体填充作为工作介质。返回到第一状态通过施加压力给工作介质来实现，这从外壳的外部很容易做到。在第二种情况下，优选地使复位装置包括销，销安装在孔中，并且通过销可使连接元件从第二状态移动至第一状态。这样，所述双稳态隔膜例如可被这种类型的销从凹入构造推至初始的凸起构造，凹入构造被认为是压力增加的结果。

销的一端尤其优选地固定到连接元件，尤其是隔膜。

根据本发明的蓄电池尤其优选地包括指示器装置，其指示由于开关状态的变化而中断的电连接。在尤其优选的实施例中，所述销用作指示器装置。所述销可具有例如有色的顶端，其由于蓄电池内部的压力增加而被推出孔外。

根据本发明的极柱螺栓优选是所述蓄电池的组成部分，但也可单独出售。所述极柱螺栓可被细分成以下部段：

·头部，其具有两个相反的平直侧，其中头部优选地采用盘或板的形式，并且/或者平直侧优选地设置为彼此平行，和

·轴，其延伸出其中一个平直侧外并具有自由轴端，其中轴优选是圆柱形的，和/或以垂直的方式从该平直侧延伸。

因此，头部和轴共同形成极柱螺栓的主体。所述头部和轴优选地由金属(尤其由钢)制造，其中其它导电金属当然也可用作基底材料。

头部和轴优选以整件制造，即，同一部件的组成部分。或者换句话说，主体是整体成形的，并且头部和轴形成主体的子区域。

极柱螺栓特征在于头部内的空腔、不透气的隔膜和穿过轴的通道孔，不透气的隔膜限定了空腔，通道孔通到空腔中，优选地开始于自由轴端。在这种情况下，优选地使隔膜将空腔限定在避开轴的那个平直侧上。进一步优选的是使通道孔以轴向方式贯穿轴。

空腔优选地仅可经由通道孔到达，并且另外地以气密的方式密封。

隔膜尤其优选的是双稳态不透气的隔膜。上面已经解释了其预期含义。隔膜可采用两种稳定状态(凸起布置和凹入布置)，并且通过压力施加可从一种状态移动至另一状态，其甚至在压力施加停止并且重新建立初始压力时仍保持在该状态下。

如上面解释的那样，双稳态隔膜可用作可气动操作的电气开关的连接元件，其中，其中一个稳定状态与第一开关位置相对应，并且另一稳定状态与第二开关位置相对应。因此，具有双稳态不透气隔膜的极柱螺栓可为这种类型的开关的一部分。主体包括头部和轴，轴在这种情况下用作开关的两个上述电接触元件的其中一个电接触元件。

在优选的实施例中，根据本发明的极柱螺栓还可包括开关的所述电接触元件的第二电接触元件。在这些实施例中，极柱螺栓本身可用作可气动操作的电气开关。换句话说，本发明的主题还是一种极柱螺栓形式的可气动操作的电气开关。为此，极柱螺栓可具有例如帽部，其放置在极柱螺栓的头部上，并且其形成所述第二电接触元件，或者第二接触元件整合到其中。帽部尤其优选地为杯状或碗状的形式并且由非导电材料组成，其中，其具有基底，第二接触元件被整合到基底中。

极柱螺栓优选地包括销，销安装在孔中并直接承坐在隔膜上。根据上面的阐述，所述销可用作复位装置以便将隔膜从凹入构造推动至初始的凸起构造，凹入构造设想为压力增加的结果。

在进一步优选的实施例中，极柱螺栓包括在轴的外部的螺纹。

当极柱螺栓是上述蓄电池的组成部分时，尤其当其穿过孔或备选通道时(孔或备选通道穿过根据本发明的蓄电池的外壳壁)，如上面所述，头部优选地设置在外壳内，同时轴的至少一部分(尤其是轴的设有螺纹的那部分)设置在外壳的外部。如同另外已提到的那样，螺母可拧紧到螺纹上，从而固定极柱螺栓。

本发明进一步的特征和由本发明产生的优点可在对附图的下述描述中找到，将参照该附图来说明本发明。在这点上应当注意，本申请中所述的根据本发明的方法的所有可选的方面可首先独立地实现，但其次也可结合本发明的实施例中的一个或多个其它特征来实现。以下所述的优选实施例仅用于说明和更好地理解本发明，而并不应理解为以任何方式限制。

图1示意性地显示了根据本发明的蓄电池100的优选实施例的可气动操作的电气开关的跳闸和所述开关通过复位装置的复位。图1a显示了压力增加之前的情形。正极柱螺栓101穿过外壳102，并经由电位计103电连接至负极柱螺栓104。电流在两个极柱螺栓之间流动。所述图清晰地显示了空腔105，其设置在极柱螺栓101内并且从外壳102的内部由不透气的金属隔膜106限定。空腔105通过孔107连接到外壳102的外部。隔膜106承靠电触头108，电触头108耦合至锂离子电池的正电极，锂离子电池设置在外壳102内。

图1b显示了外壳102内的压力增加之后的情形。由于压力的增加，隔膜106已经弯曲到空腔中。中断了到外壳内的正电极的电接触。因此，由电位计指示的电压也是0。

如果在接下来的步骤中(图1c)，压力从外部施加到工作介质，例如位于空腔105和孔107中的空气，那么隔膜106可被推回到空腔105外直至其再次承靠触头108。结果，因此有可能以受控的方式使所示的蓄电池100放电。

图2显示了钢极柱螺栓200的一个实施例，其根据本发明是优选的。所述极柱螺栓可被细分成盘状头部201和具有自由轴端203的轴202。头部201具有两个相反的平直侧，顶侧204和底侧205。轴202从平直侧204的中心以垂直方式延伸出，并优选是圆柱形的。如果需要，所述轴在其自由端203的方向上还可能成圆锥形。如果需要，螺纹206被攻丝到轴的分段中。当如预期使用时，轴202从内部穿过蓄电池外壳中的孔到外部(该孔意图用于此目的)，并且可能利用合适的螺母锁定在所述蓄电池外壳的外部上。

空腔207位于头部201中，其类似地为盘的形式，并通过不透气的金属隔膜208从外部限定在避开轴202的那个平直侧205上。所述隔膜的一侧与金属接触元件209直接接触，金属接触元件209整合在非导电的杯状或碗状帽部210的基底中，帽部放置在头部201上，并基本完全覆盖所述头部(除了平直侧204以外)。在另一侧上，隔膜204电耦合至极柱螺栓200的主体。在隔膜204的避开空腔207的侧上的压力增加的情况下，隔膜204可弯曲到空腔207中。这导致隔膜204和接触元件208之间的接触被破坏。

轴向孔211位于轴202内，其在轴202的自由端203处进入所述轴中并通到空腔207中。销212安装在轴向孔210中，所述销的一端突出到空腔207中并直接承落在隔膜204上。另一端设有颜色标记213。如果隔膜204弯曲到空腔207中，那么销212的有色端213被推到孔211外并指示整合在极柱螺栓200中的可气动操作的开关已经跳闸。如果销212被推回到孔211中，那么隔膜204将从空腔207推回，从而重新建立与接触元件208的直接接触。

Claims (9)

1.一种蓄电池，其具有：

·外壳，

·至少一个单独的电池，其具有至少一个正电极和至少一个负电极，所述单独的电池设置在所述外壳中，

·正极柱螺栓和/或负极柱螺栓，所述正极柱螺栓穿过所述外壳并电连接到所述至少一个正电极，所述负极柱螺栓穿过所述外壳并电连接到所述至少一个负电极，和

·至少一个电气开关，其可气动操作并在所述外壳内的压力增加超过阈值的情况下改变其开关状态，并在该过程中，中断所述极柱螺栓中的至少一个极柱螺栓和相关联的至少一个电极之间的电连接，

其特征在于，所述蓄电池包括复位装置，利用所述复位装置可重新建立由于所述开关状态的变化而中断的电连接，而不必为此目的打开所述外壳；

其中，所述至少一个电气开关包括彼此物理分开的两个电接触元件以及导电的连接元件，所述连接元件在第一状态下将所述两个电接触元件连接，并且由于所述压力增加可移动至第二状态，在所述第二状态下中断与所述两个电接触元件中的至少一个的接触；

所述连接元件是不透气的隔膜；

所述至少一个极柱螺栓具有空腔，所述空腔部分地由所述隔膜限定；并且

所述至少一个极柱螺栓具有孔作为所述复位装置的一部分，所述孔将所述空腔和所述隔膜连接到所述外壳的外部。

2.根据权利要求1所述的蓄电池，其特征在于，所述复位装置是流体操作的复位装置或机械复位装置。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的蓄电池，其特征在于，所述复位装置包括销，所述销安装在所述孔中，且通过所述销可使所述连接元件从所述第二状态移动至所述第一状态。

4.根据权利要求3所述的蓄电池，其特征在于，所述蓄电池包括指示器装置，所述指示器装置指示由于所述开关状态的变化而中断的所述电连接。

5.根据权利要求4所述的蓄电池，其特征在于，所述销作用为指示器装置或控制指示器装置，所述连接元件可利用所述销经由所述孔从所述第二状态移动至所述第一状态。

6.根据权利要求1所述的蓄电池，其特征在于，所述导电的连接元件是双稳态的。

7.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的蓄电池的极柱螺栓，其包括：

·头部，其具有两个相反的平直侧，和

·轴，其从所述平直侧中的一个延伸出并具有自由轴端，

其特征在于所述头部内的空腔、限定所述空腔的不透气的隔膜，以及穿过所述轴的通道孔，所述通道孔通到所述空腔中。

8.根据权利要求7所述的极柱螺栓，其特征在于还包括销，所述销安装在所述孔中并直接承坐在所述隔膜上。

9.根据权利要求7或8所述的极柱螺栓，其特征在于所述轴的外部具有螺纹。