CN105531849A - 具有过电压保护装置的电池单池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池单池（1），该电池单池包括单池壳体（2）、具有第一极性的第一电极、具有第二极性的第二电极以及用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路的过电压保护装置，其中，所述过电压保护装置包括被装入到所述单池壳体（2）的开口（9）中的、与所述第一电极能导电地连接的第一接触元件（6），并且与所述第一接触元件（6）间隔开地包括与所述第二电极能导电地连接的第二接触元件（7）。所述第一接触元件（6）在此被构造用于当单池壳体内部压力（13）以第一阈值为幅度超过环境压力时能导电地与所述第二接触元件（7）相接触，以用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路。此外，所述第一接触元件（6）被构造用于当单池壳体内部压力（13）以第二阈值为幅度超过环境压力时至少部分地释放所述单池壳体（2）的开口（9）。

Description

具有过电压保护装置的电池单池

技术领域

本发明涉及一种电池单池，该电池单池包括单池壳体、具有第一极性的第一电极、具有第二极性的第二电极以及用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路的过电压保护装置，其中，所述过电压保护装置包括被装入到所述单池壳体的开口中的、与所述第一电极能导电地连接的第一接触元件，并且与所述第一接触元件间隔开地包括与所述第二电极能导电地连接的第二接触元件，其中，所述第一接触元件被构造用于当单池壳体内部压力以第一阈值为幅度超过环境压力时能导电地与所述第二接触元件相接触，以用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路。

背景技术

电池单池、尤其是能够再充电的锂离子单池作为蓄能器尤其对于电动交通来说具有重大意义。一般来说，多个电池单池彼此电连接成一个或者多个电池模块。为了保护所述电池单池以防受到外部的影响、尤其是湿气影响，各个电池单池通常分别被一个金属的单池壳体所包围，所述单池壳体基本上气密地被封闭。

对于这样的电池单池来说，尤其是对于能够再充电的锂离子单池来说，成问题的是，在所述电池单池受热超过临界的温度值时可能出现电池单池的所谓的排气现象。故障、例如电池单池的电极之间的短路、电池单池在充电过程中的过充电或者极高的环境温度，在此可能导致对于电池单池的危急性的加热。由于这样的危急性的加热，在此可能在所述电池单池中开始不希望的化学反应，所述化学反应可能导致所谓的热失控（英语：“thermalrunaway”）。尤其对于电池单池的电极之间的离子输送来说所需的电解质可能由于危急性的加热而分解并且转化为气态的状态。通过这种气体形成，在较短的时间里在所述电池单池的内部产生了较高的压力。为了防止所述电池单池由于剧烈的压力增大而爆裂，尤其是对锂离子单池来说已知的是，给其配备安全阀。通过所述安全阀，在此在电池单池的内部形成的气体以及必要时其他形成的分解产物可以作为流体、尤其是作为气体和/或气溶胶而逸出。具有这样的安全阀的锂离子单池例如从公开文献DE10328862B4中得到了公开。

为了对于能够再充电的电池单池来说防止由于所述电池单池的过充电而出现这样的气体形成现象，除此以外还已知开篇所提到的电池单池，所述电池单池具有也被称为“OverchargeSafetyDevice（OSD）”的过电压保护装置。具有这样的过电压保护装置的电池单池例如从公开文献DE102011002659A1和DE102012200868A1中得到了公开。

作为过电压保护装置，在此尤其是被装入到电池单池的单池壳体的盖子中的膜片为人熟知，所述膜片能导电地与所述电池单池的正极相连接。所述膜片在无故障的状态中朝所述单池壳体中拱起。如果所述电池单池中的压力增大，所述膜片就被向外挤压并且能导电地与布置在所述电池单池的负极上的触桥接触。所述膜片与所述触桥之间的、如此建立的能导电的连接具有比单池的有化学活性的部件、所谓的“卷芯（JellyRoll）”小的电阻，由此所述电流不再流过所述电池单池，而是流过所述电池单池的单池壳体，也就是说形成短路。流过所述单池壳体的短路电流在此可能毁坏所述膜片。为了防止这一点，已知的是，在从所述卷芯到正极或到单池壳体的连接中安装保险丝，所述保险丝在所述膜片被毁坏之前中断这种短路电流。

如果要提供电池单池的这样的安全功能，则在制造时引起时间开销和成本开销。

发明内容

在此背景下，本发明的任务是，尤其如下地改进开篇所提到的电池单池，即，在提供前面所提到的安全功能的情况下可以节省在制造这样的电池单池时的成本。

为了解决所述任务，建议了一种电池单池，该电池单池包括单池壳体、具有第一极性的第一电极、具有第二极性的第二电极以及用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路的过电压保护装置，其中，所述过电压保护装置包括被装入到所述单池壳体的开口中的、与所述第一电极能导电地连接的第一接触元件，并且与所述第一接触元件间隔开地包括与所述第二电极能导电地连接的第二接触元件，其中，所述第一接触元件被构造用于当单池壳体内部压力以第一阈值为幅度超过环境压力时能导电地与所述第二接触元件相接触，以用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路，并且此外所述第一接触元件被构造用于当单池壳体内部压力以第二阈值为幅度超过环境压力时至少部分地释放所述单池壳体的开口。尤其规定，所述电池单池是能够再充电的锂离子单池。此外，尤其规定，所述电池单池构造为棱柱形的单池。所述电池单池的单池壳体优选是金属的单池壳体，其中所述单池壳体优选包括单池壳体盖，所述单池壳体通过所述单池壳体盖有利地基本上被气密地封闭。尤其规定，所述第一接触元件是压力敏感的元件、尤其是阀或者膜片。

对于根据本发明的电池单池来说，有利地将过电压保护装置的功能与用于保护所述电池单池以防有损害的过压的安全阀的功能统一在一个构件中。利用本发明由此有利地提供了一种电池单池，该电池单池具有压力释放机构与过电压保护装置一体式的结构。由此能够有利地节省制造时的成本，尤其是因为通过所述电池单池的根据本发明的设计方案有利地不需要在所述单池壳体中设置额外的安全阀。对于这样的安全阀的安装来说有利地取消了所需的工作步骤，由此在制造这样的电池单池时能够实现成本降低。除此以外，被电池单池壳体作为结构空间而需要的面积有利地比较小。由此，例如在多个电池单池的电连接方面获得另外的优点。

按照本发明的一种特别优选的设计方案规定，所述第一接触元件以下述方式构造，即，所述第二阈值大于所述第一阈值。在这样的设计方案中，所述第一接触元件在所述电池单池壳体中出现压力增大时有利地改变其原来的位置，从而在所述单池壳体内部压力以所述第一阈值为幅度超过所述单池壳体外部的环境压力时，所述第一接触元件能导电地与所述第二接触元件相接触，以用于在所述电池单池的第一电极与第二电极之间形成短路。如果所述单池壳体中的压力还继续增大，以至于所述单池壳体内部压力以比所述第一阈值大的第二阈值为幅度超过所述单池壳体外部的环境压力，那么所述第一接触元件就有利地至少部分地释放所述单池壳体的开口，其中在所述单池壳体的开口中布置了所述第一接触元件。而后通过所述单池壳体的至少部分地被释放的开口可以有利地进行压力补偿。此外，在所述单池壳体中形成的气体可以有利地通过被接触元件至少部分地释放的开口从所述单池壳体中逸出。

按照根据本发明的电池单池的一种有利的设计方案规定，所述第一接触元件以下述方式构造，即，所述第一阈值处于0.1MPa（Mpa：Megapascal（兆帕））与0.3MPa之间。在此特别优选地规定，所述第一阈值大约为0.2MPa。因为环境压力一般来说是大约0.1MPa的压力，所以，如果所述单池壳体的内部中的压力例如超过0.3MPa的数值，所述第一接触元件就有利地与所述第二接触元件相接触。

根据本发明的电池单池的另一种有利的设计方案规定，所述第一接触元件有利地以下述方式构造，即，所述第二阈值处于0.3MPa与0.5MPa之间。在此特别优选地规定，所述第二阈值例如为0.4MPa。对于通常存在的、大约0.1MPa的环境压力来说，在这样的设计方案中，如果所述单池壳体内部压力超过0.5MPa的压力，那么所述接触元件就释放所述单池壳体的开口。

按照根据本发明的电池单池的一种特别有利的设计方案，所述第一接触元件具有至少一个预定断裂点，所述预定断裂点以下述方式构造，即，当单池壳体内部压力以所述第二阈值为幅度超过环境压力时该预定断裂点断裂。由于所述预定断裂点的断裂，所述第一接触元件有利地至少部分释放所述壳体开口。尤其规定，所述第一接触元件在所述预定断裂点的区域中断裂，从而使得所述单池壳体开口部分地被释放，其中所述第一接触元件布置在所述单池壳体开口中。而后通过所述至少部分地被释放的单池壳体开口可以有利地进行压力补偿并且/或者在所述单池壳体的内部形成的气体可以逸出。尤其规定，所述预定断裂点以下述方式构造，即，在所述预定断裂点的区域中发生断裂时所述第一接触元件继续与所述第二接触元件能导电地接触，从而电流可以继续通过所述第一接触元件与所述第二接触元件之间的能导电的连接部来流动。

按照根据本发明的电池单池的另一种特别有利的设计方案规定，所述第一接触元件是具有能导电的接触区域的膜片，其中所述膜片如此构成，从而当单池壳体内部压力以所述第一阈值为幅度超过环境压力时所述膜片的接触区域能导电地与所述第二接触元件相接触。尤其规定，所述膜片由能导电的材料构成。所述膜片的接触区域尤其是所述膜片的这样一种区域，该区域在所述单池壳体内部压力以所述第一阈值为幅度超过所述环境压力时能导电地与所述第二接触元件相接触。

根据本发明的电池单池的另一种有利的设计方案规定，所述膜片朝所述单池壳体的内部中拱起，优选凸出地朝所述单池壳体的内部中拱起，其中所述膜片在所述单池壳体内部压力升高时如此向外拱起，从而当单池壳体内部压力以第一阈值为幅度超过环境压力时所述膜片向外拱起地能导电地与所述第二接触元件相接触。在此尤其规定，所述第一接触元件在其能导电地与所述第二接触元件相接触时凸出地向外拱起。尤其规定，所述第一接触元件在机械应力下朝所述单池壳体的内部中拱起，其中规定，所述膜片直至超过所述第一阈值都保持向里拱起的状态，也就是说，基本上没有发生膜片的机械变形，而是在超过所述第二阈值时所述膜片在一定程度上突然向外变向。

尤其规定，所述膜片在所述接触区域之外具有至少一个预定断裂点。在所述预定断裂点处，在此有利地在超过所述第二阈值时部分地释放所述单池壳体开口，在所述单池壳体开口中装入了所述膜片，从而能够进行压力补偿并且/或者在所述单池壳体的内部形成的气体能够通过所述部分地被释放的单池壳体开口来逸出。所述预定断裂点有利地在此如此布置，使得至少所述膜片的接触区域继续能导电地与所述第二接触元件相接触，其中所述接触区域继续能导电地与所述单池壳体相接触。

本发明的另一种有利的设计方案规定，所述电池单池在所述单池壳体的开口的区域中被连接到排气机构上、优选是被连接到排气通道上。通过所述排气机构，在此可以有利地在受控制的情况下将通过所述至少部分地被释放的单池壳体开口来逸出的气体导出。

按照本发明的另一种有利的设计方案规定，所述电池单池具有单池内部的保险丝、优选是熔丝，所述保险丝在所述第一接触元件为了在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路而能导电地与所述第二接触元件相接触时保护所述过电压保护装置，以防止烧坏。尤其规定，所述保险丝布置在所述单池壳体与所谓的卷芯之间。作为卷芯在此尤其是指所卷绕的、具有布置在其之间的电解质和分离器的电极。

为了解决开头所提到的任务，此外建议一种电池模块，该电池模块具有至少一个根据本发明的电池单池。尤其在此规定，所述电池模块具有多个根据本发明的电池单池，所述电池单池能导电地彼此相连接。所述电池模块在此有利地具有排气机构、优选是排气通道，其中根据本发明的电池单池以所述单池壳体开口来有利地连接到所述排气机构上。

附图说明

结合在附图中示出的实施例来对本发明的其它有利的细节、特征和设计方案细节进行详细解释。在此：

图1以示意图示出了根据本发明的电池单池的一种实施例的俯视图；

图2以示意图示出了根据本发明的电池单池的一种实施例的截取部分的侧剖视图；

图3以示意图示出了根据本发明的电池单池的一种实施例的截取部分的侧剖视图，其中，单池壳体内部压力已经以第一阈值为幅度超过了所述环境压力；

图4以示意图示出了根据本发明的电池单池的一种实施例的截取部分的侧剖视图，其中，所述单池壳体内部压力已经以第二阈值为幅度超过了环境压力；并且

图5以示意图示出了是根据本发明的电池单池的一种实施例的俯视图，其中，所述单池壳体内部压力已经以第二阈值为幅度超过了环境压力。

具体实施方式

结合图1到图5对根据本发明的电池单池1的一种有利的设计方案进行详细解释。所述电池单池1尤其可以是能够再充电的锂离子单池。在图1到图5中，所述电池单池1分别具有棱柱形的单池壳体2。所述单池壳体2在此由金属构成、尤其是由不锈钢或者铝合金构成。所述电池单池1的单池壳体2有利地防止湿气挤入到所述电池单池1中。

在附图中所示出的实施例的情况下，所述电池单池1分别具有第一单池端子3和第二单池端子4。所述第一单池端子3在此能导电地与所述电池单池1的正电极相连接。在此，在所述单池壳体2上加载了与在所述电池单池1的单池端子3上相同的电位。所述电池单池1的第二单池端子4能导电地与所述电池单池1的负电极相连接并且借助于绝缘元件4相对于所述单池壳体2被电绝缘。

在附图中示出的电池单池1此外相应地包括一用于在所述电池单池1的正电极与负电极之间形成短路的过电压保护装置。所述过电压保护装置在此以下述方式实现，即，朝单池壳体开口9中装入了第一接触元件6，其中所述第一接触元件6在所述实施例中是金属的爆裂膜片。除此以外，第二接触元件7能导电地布置在所述第二单池端子4上，其中在所述实施例中所述第二接触元件7是能导电的触桥（Kontaktbrücke）。在所述电池单池1正常运行时，所述第一接触元件6和所述第二接触元件7彼此间隔开，也就是说，没有电流从所述第一接触元件6通过所述第二接触元件7而流动。在图1中示出了这样的正常运行。

所述电池单池1的第一接触元件6以下述方式来构造，即，当单池壳体内部压力以优选为0.2MPa的第一阈值为幅度超过环境压力时，所述第一接触元件为了在所述电池单池1的正电极与负电极之间形成短路而能导电地与所述第二接触元件7相接触。在此，所述第一接触元件6在压力的作用下向外拱起，其中，所述向外拱起的第一接触元件6在超过所述第一阈值时能导电地与所述第二接触元件7相接触。于是，所述电流不再在所述电池单池1的内部通过所述电池单池1的有化学活性的部件而是通过所述单池壳体2从所述正电极流往所述负电极。

在超过所述第一阈值时所述第一接触元件6以一个区域与所述第二接触元件7能导电地接触，这个区域在此是所述第一接触元件6的接触区域，在图1中也就是所述第一接触元件6的、被第二接触元件7遮盖的区域。在所述接触区域之外，在附图中示出的电池单池1的第一接触元件6具有两个预定断裂点8。所述预定断裂点8在此以下述方式构造，即，当所述单池壳体内部压力以第二阈值为幅度超过所述环境压力时，所述第一接触元件6在这些预定断裂点8处断裂并且由此部分地释放所述单池壳体开口9，其中所述第二阈值大于所述第一阈值。优选地，所述第二阈值为0.4MPa。

在图2中示出了在所述电池单池正常运行时根据本发明的电池单池1的一种实施例的截取部分。在此，所述单池壳体内部压力大致相当于所述环境压力，也就是说，特别地由单池壳体内部压力和环境压力构成的差的绝对值小于所述第一阈值。如可以从图2中看出的那样，所述电池单池1的单池壳体2具有侧壁2’和单池壳体盖2’’。所述单池壳体在此尤其保护所谓的卷芯12以防受到外部的影响、尤其以防受到湿气影响。如此外在图2中示意性地示出的那样，所述电池单池1的第一单池端子3能导电地与所述电池单池1的正电极相连接。所述电池单池1的第二单池端子4能导电地与所述电池单池1的负电极相连接，并且通过所述绝缘元件5相对于所述电池单池1的单池壳体盖2’’电绝缘。在所述卷芯12与所述第一单池端子3之间，在此装入了保险丝10，当在作为过电压保护的功能中有短路电流通过所述第一接触元件6流过时，所述保险丝有利地防止该第一接触元件被毁坏。

如此外可以从图2中看出的那样，对于所示出的电池单池1来说朝所述单池壳体的开口中、也就是朝所述单池壳体盖2’’的开口9中装入第一接触元件6，其中所述第一接触元件6在所述实施例中是能导电的膜片。所述第一接触元件6在此能导电地与所述单池壳体盖2’’相连接。在图2中示出的正常运行时，所述第一接触元件6凸出地朝所述电池单池1的单池壳体的内部拱起。所述第一接触元件6在此与所述能导电地与单池端子4相连接的第二接触元件7间隔开，其中所述第二接触元件7在所述实施例中是能导电的触桥。如此外在图2中示意性地示出的那样，所述电池单池1在所述单池壳体开口9的区域中被连接到排气通道11上。

图3和图4示出了图2的电池单池1在正常运行之外的情况。所述单池壳体内部压力在此象征性地通过箭头13来示出。

图3示出了存在单池壳体内部压力13情况下的电池单池1，所述单池壳体内部压力以第一阈值、尤其是0.2MPa的阈值为幅度超过所述环境压力。由于所述单池壳体内部压力13的增大，被装入到所述单池壳体盖2’’的开口9中的第一接触元件6已经凸出地向外拱起，使得所述第一接触元件6的接触区域能导电地与所述第二接触元件7相接触并且由此在所述电池单池1的正电极与负电极之间形成短路。

图4示出了在所述单池壳体内部压力进一步增大时的电池单池1，其中所述单池壳体内部压力以比所述第一阈值大的第二阈值为幅度超过所述环境压力。尤其规定，所述第二阈值为0.4MPa。如在图4中示出的那样，所述第一接触元件6继续与所述第二接触元件7相接触，从而此外所述第二单池端子4能导电地与所述电池单池1的单池壳体盖2’’相连接并且由此与其单池壳体相连接。除此以外，由于超过所述第二阈值，所述第一接触元件6上的预定断裂点断裂，由此在所述第一接触元件6中已经形成开口14并且所述单池壳体开口9部分地被释放。在所述电池单池1的单池壳体的内部形成的气体在此可以通过这个开口14从所述电池单池1的单池壳体中逸出。

在图5中示例性地示出：在所述第一接触元件6的预定断裂点8由于超过所述第二阈值而断裂之后，在所述电池单池1的内部形成的气体从所述单池壳体2中逸出。在此，由于所述第一接触元件6的预定断裂点8的断裂而在所述第一接触元件6中形成了开口14，通过所述开口所述单池壳体开口9部分地被释放。从这些断裂的预定断裂点8中或从由于所述预定断裂点8的断裂而在较高的压力下形成的开口14中逸出的气体在图5中示意性地通过箭头15来示出。优选规定，如在图2到图4中示意性地示出的那样，所述电池单池1布置在排气通道11上，从而将流出的气体15受控制地从所述单池壳体开口9经由所述排气通道而排出。

按照本发明的一种有利的未示出的设计变型方案，可以规定，电池单池1的第一接触元件6在该电池单池的外部的边缘上具有预定断裂点，从而使得在超过所述第二阈值时所述第一接触元件6完全从所述单池壳体开口9中松开并且所述单池壳体开口9由此完全被释放。

在附图中示出的并且结合这些附图所解释的实施例用于解释本发明并且并未对本发明进行限制。

Claims (10)

1.电池单池（1），其包括单池壳体（2）、具有第一极性的第一电极、具有第二极性的第二电极以及用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路的过电压保护装置，其中，所述过电压保护装置包括被装入到所述单池壳体（2）的开口（9）中的、与所述第一电极能导电地连接的第一接触元件（6），并且与所述第一接触元件（6）间隔开地包括与所述第二电极能导电地连接的第二接触元件（7），其中，所述第一接触元件（6）被构造用于当单池壳体内部压力（13）以第一阈值为幅度超过环境压力时能导电地与所述第二接触元件（7）相接触，以用于在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路，其特征在于，所述第一接触元件（6）此外被构造用于当单池壳体内部压力（13）以第二阈值为幅度超过环境压力时至少部分地释放所述单池壳体（2）的开口（9）。

2.根据权利要求1所述的电池单池（1），其特征在于，所述第一接触元件（1）以下述方式构造，即，所述第二阈值大于所述第一阈值。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（1），其特征在于，所述第一接触元件（6）以下述方式构造，即，所述第一阈值处于0.1MPa与0.3MPa之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（1），其特征在于，所述第一接触元件（6）以下述方式构造，即，所述第二阈值处于0.3MPa与0.5MPa之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（1），其特征在于，所述第一接触元件（6）具有至少一个预定断裂点（8），所述预定断裂点以下述方式构造，即，当单池壳体内部压力（13）以所述第二阈值为幅度超过环境压力时所述预定断裂点断裂。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（1），其特征在于，所述第一接触元件（6）是具有能导电的接触区域的膜片，其中所述第一接触元件（6）以下述方式构造，即，当单池壳体内部压力（13）以所述第一阈值为幅度超过环境压力时所述第一接触元件（6）的接触区域能导电地与所述第二接触元件（7）相接触。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（1），其特征在于，所述第一接触元件（6）是膜片，其中所述第一接触元件（6）朝所述单池壳体（2）的内部中拱起，并且所述第一接触元件（6）在所述单池壳体内部压力（13）升高时向外拱起，从而当单池壳体内部压力（13）以所述第一阈值为幅度超过环境压力时所述第一接触元件（6）在向外拱起的情况下能导电地与所述第二接触元件（7）相接触。

8.根据权利要求6或者权利要求7所述的电池单池（1），其特征在于，所述第一接触元件（6）是膜片，其中所述第一接触元件（6）在所述接触区域之外具有至少一个预定断裂点（8）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（1），其特征在于，所述电池单池（1）在所述单池壳体（2）的开口（9）的区域中被连接到排气机构（11）上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（1），其特征在于，所述电池单池（1）具有单池内部的保险丝（10），当所述第一接触元件（6）为了在所述第一电极与所述第二电极之间形成短路而能导电地与所述第二接触元件（7）相接触时所述保险丝保护所述过电压保护装置，以防止烧坏。