CN106463660A - 用于锂离子蓄电池的电池绕组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于锂离子蓄电池的电池绕组30、40、50、60、100、200，所述电池绕组30、40、50、60、100、200具有至少两个以节约空间的方式被缠绕的并且彼此热耦合的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82。按照本发明，所述至少两个子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82在正常运行中被电并联，并且在故障情况下、尤其是在至少一个损坏的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82中的内部短路的情况下，能够将至少一个损坏的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82与至少一个完好的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82电分离。由于在“故障情况”下借助于电子的监控装置36能够与所述完好的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82立即电分离的至少一个损坏的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82，得到电池绕组30、40、50、60、100、200相对于内部短路的更高的稳健性。由于在所述子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82之间的热耦合，所述完好的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82尤其充当对于损耗热起减小损害的作用的散热器，所述损耗热在所涉及的损坏的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的一般在短路情况下实现的快速放电中被释放。

Description

用于锂离子蓄电池的电池绕组
技术领域
本发明涉及一种用于锂离子蓄电池的电池绕组，所述电池绕组具有至少两个以节约空间的方式被缠绕的并且彼此热耦合的子电池。
背景技术
呈现出：在未来，不仅在静态的应用中、例如在风力发电装置中，而且在被设计为混合动力车辆或者电动车辆的机动车中，以及在电气设备中将新的电池组系统或者蓄电池系统投入使用，在可靠性、安全性、效率和寿命方面对所述电池组系统或蓄电池系统提出非常高的要求。
尤其是锂离子蓄电池由于其大的能量密度而被用作用于电驱动的机动车的蓄能器。
在DE 10 2011 017 613 A1中公开了一种用于锂离子蓄电池的电池绕组。该电池绕组包括两个导电体，所述导电体在两个隔离器的中间层的情况下被卷绕成电池绕组。
从DE 10 2011 110 876 A1公知一种蓄能设备。该蓄能设备尤其包括：例如以电极绕组的形式的蓄能电池和用于容纳蓄能电池的容器。为了可靠地确保蓄能电池的功能，在电极绕组与容器壁之间设置有导热层，通过所述导热层可以将热从蓄能电池在容器壁的方向上导出。在一种优选的构建方案中规定：导热层具有由电绝缘材料构成的子层。一方面，该子层确保所释放的热可以良好地从电池流出，另一方面，该子层阻止了电池的外侧与容器壁电接触。此外，该子层还确保：在外来物体一点一点地从外部侵入时避免在各个电极之间的短路。
尤其不利的是：用于在故障情况下、尤其是在电池的内部短路或者诸如此类的情况下进行损害限制的蓄能电池不具有能够选择性地切断的单个电池。
在锂离子蓄电池中出现内部短路的概率例如可以通过在生产期间被提高的质量措施来减小。然而，在这种情况下，在正当的成本耗费的情况下不能连续地检测并且消除所有的故障部位。此外，可能的是：将锂离子蓄电池构建得更加机械稳健，使得外部影响、尤其是机械的和热的外部影响不能那么轻易地引起内部短路。为了此目而通常所需要的更高的材料强度以及附加的机械保护组件同样起提高成本的作用，而且此外还降低了活性材料占总重量的体积份额和重量份额并且随之而来降低了蓄电池的电能量密度。此外，可以通过选择其他的用于电涂层的活性材料和/或在电极上采用较少的活性材料来积极地影响锂离子蓄电池的短路倾向。但是，在这种情况下也降低了锂离子蓄电池的供支配的容量。
因而，本发明的任务是说明一种锂离子蓄电池，在所述锂离子蓄电池中在内部短路的情况下以及在用于损害限制所必需的快速放电的情况下的热负载被减小。
发明内容
按照本发明，所述至少两个子电池在正常运行中被电并联，而在故障情况下、尤其是在至少一个损坏的子电池中的内部短路的情况下，能够将至少一个损坏的子电池与至少一个完好的子电池电分离。
本发明的优点
基于所述电池绕组的按照本发明的构建方案，在子电池的（例如由于被探测到的故障）必要的快速放电的情况下、同样以及在（例如由于子电池中的内部的电池短路或者诸如此类的）不受控制的放电的情况下，所述至少一个剩余的完好的子电池可以快速地被电分离。完好的子电池充当用于在快速放电时释放的欧姆损耗热的散热器，而且有助于损害限制。此外，锂离子蓄电池的全部电流导出能力（Stromableitfähigkeit）供所述损坏的子电池支配，使得根据所述锂离子蓄电池的电气设计方案，更高的放电电流率是可能的。此外，必要时可以将损坏的子电池有针对性地与其余的还完好的子电池分离。有故障的子电池与其余的还能够运转的子电池的电分离借助于适当的控制和/或调节装置来实现，所述控制和/或调节装置优选地是电子监控设备或者诸如此类，所述电子监控设备被构造用于锂离子蓄电池的损坏的子电池的快速并且有针对性的电分离。为了电流隔断，所述分离本身例如可以借助于继电器以机电的方式实现或者在没有电势隔断的情况下借助于功率半导体以电子的方式实现。用于在锂离子蓄电池中使用的电池绕组原则上可以具有多于两个被卷绕的子电池。
在此，在故障情况下的热释放限于非临界的热量，并且尤其是阻止如下连锁反应，在所述连锁反应的情况下通过所释放的热可能触发另外的内部短路和其它的放热反应。
在本发明所基于的思想的另一有利的构建方案中，每个子电池都具有至少局部地涂有第一活性材料的阴极和至少局部地涂有第二活性材料的阳极，而且隔离层延伸在第一活性材料与第二活性材料之间。因此，电池绕组具有多个阳极和多个阴极。由此，每个子电池本身来看是用来构造锂离子蓄电池的独立的电化学元件。
在按照本发明所提出的解决方案的另一有利的构建方案中，至少一个子电池的阴极和/或阳极配备有绝缘层，所述绝缘层使所述子电池彼此电绝缘。由此可靠地阻止在被缠绕的状态中的幅面状（bahnförmig）的子电池之间的内部短路。
在一种实施方式的情况下，为了构造所述电池绕组的棱柱形状，所述至少两个子电池基本上回形地被卷绕。由此给出：将所述电池绕组尽可能无空腔地并且因此节约空间地集成到锂离子蓄电池的长方体形的外壳形状中。
在另一种实施方式的情况下，为了构造电池绕组的圆柱形状，所述至少两个子电池基本上螺旋形地被卷绕。由此得到电池绕组的可替换的形状来实现具有其它外壳形状的锂离子蓄电池。
在另一种有利的构建方案中，电池绕组具有内部绕组和包围该内部绕组的外部绕组，其中所述内部绕组和所述外部绕组分别利用被卷绕的子电池来构成。由此，为了卷绕锂离子蓄电池而已经存在的生产装置可以在没有较大的更改的情况下被用于制造按照本发明的电池绕组。
在另一种实施方式的情况下，至少一个另外的、包含另一子电池的外部绕组被缠绕到所述外部绕组上。由此，容量提高在电池绕组的该实施方式的情况下是可能的。
在技术上有益的改进方案的情况下，在内部绕组与外部绕组之间和/或在所述至少两个外部绕组之间分别设置有电绝缘的隔断层。由此除了子电池的绝缘层之外给出内部绕组与外部绕组之间的可靠的电绝缘。
隔断层可具有相对机械损伤以及热损伤而被提高的稳健性。同样，隔断层可具有比隔离层更小的导热能力。由此，损坏扩散到相邻的子电池上的概率被最小化。如果仅在所述子电池之间设置有隔断层，那么由于附加的稳健性而被提高的成本和空间需求被最小化。
在所述发明思想的延续中，每个子电池在被放开的状态中都具有基本上幅面状的带有宽度B的外形。由此，电池绕组可以在制造技术上简单地通过缠绕优选地作为幅面状的半成品而存在的子电池来实现，所述子电池分别包括阳极、阴极以及隔离层。
为了制造具有内部绕组和外部绕组的电池绕组，首选由半成品卷绕成内部绕组。之后，该半成品被切开，而且隔断层被施加到内部绕组上。紧接着，该半成品进一步被卷绕成外部绕组。由此，对用于制造传统的电池绕组的存在的制造设施和已知的制造工序的所必需的改变被最小化。
有利地，每个子电池的阴极和阳极为了电接触而优选地以相对的方式具有至少一个阴极凸起部和阳极凸起部，其中所述至少一个阴极凸起部和所述至少一个阳极凸起部以分别横向于子电池的长轴地分别超出了子电池的两个长边中的一个长边一个宽度b的方式突出。由此，所述阴极和阳极凸起部能够在制造技术上被构造为阴极或者阳极的双面的梯形的突起。
在进一步深入所述发明思想的情况下，至少两个阴极凸起部以及至少两个阳极凸起部以彼此在轴向上偏移间距L的方式被构造在子电池的每个长边处。由此，为了确保电接触的足够高的载流能力，大量重叠的阴极或者阳极凸起部是可支配的。在此，不同的子电池的阴极凸起部和阳极凸起部彼此被电隔断。
按照一种有益的构建方案规定：间距L分别发生变化，使得在每个子电池的被缠绕的状态中，属于同一子电池的阴极凸起部和阳极凸起部基本上叠合地重叠来分别提供阴极接触部和阳极接触部。由此，尤其可以在缠绕所述子电池时补偿电池绕组的增加的半径。
附图说明
随后依据附图来更详细地描述本发明。
图1示出通过具有绝缘层的子电池的示意性横截面，
图2示出具有两个子电池以及一个监控装置的电池绕组的一种实施方式的原理图，
图3示出具有棱柱形的造型的电池绕组的一种实施方式，
图4示出具有圆柱形的造型的电池绕组的一种实施方式，
图5示出具有内部绕组和同轴地包围该内部绕组的外部绕组的电池绕组的一种实施方式，
图6示出具有用于电连接的阴极凸起部和阳极凸起部的两个展开的重叠的幅面状的子电池的示意性俯视图，
图7示出具有两个子电池的电池绕组的原理俯视图，以及
图8示出具有四个子电池的电池绕组的一种实施方式的原理俯视图。
具体实施方式
图1示出子电池10的示意性横截面，所述子电池10用于在按照本发明的用于在附图中未被示出的锂离子蓄电池的电池绕组30、40、50、60、100、200中使用。
子电池10包括：阴极12，所述阴极12配备有第一电化学活性材料14；和阳极16，所述阳极16至少局部地涂有第二电化学活性材料18。所述两个、在子电池10的展开的或者未被卷起的状态中平行地相叠地延伸的活性材料14、18被由微孔的聚乙烯和/或聚丙烯构成的隔离层20彼此隔断。阴极12以及阳极16分别构成用于到子电池10的电流输送的第一和第二导电体22、24。这里，阴极12示范性地配备有绝缘层26，以便在缠绕子电池10时避免电池间短路。但是，绝缘层26也可以被设置在阳极16的区域中以及被设置在阴极12和阳极16的区域中。在这种情况下，绝缘层26可以被实施为子电池10的固定的组成部分或者被安放到由具有第一活性材料14的阴极12、隔离层20和具有第二活性材料18的阳极16构成的层构造上。所述活性材料14、18可具有在物质上相同或者不同的材料组分，而利用铝来构成阴极12并且利用铜来构成阳极16。这里展开的幅面状的子电池10优选地被暂时提供作为“无限的”、以卷材形状存在的半成品，而且能够以简单的方式通过缠绕或者卷起被加工成具有各不相同的几何外形的电池绕组30、40、50、60、100、200。
原则上，子电池10可以以几乎任意的数目相叠地被堆叠来提供包括多个子电池10的构造，所述子电池10的层构造分别对应于上面所描述的子电池10的构造。
图2示出具有两个子电池10、32以及具有一个监控装置36的电池绕组30的原理图。
利用图1的子电池10以及利用另一同样地被构造的子电池32来构成电池绕组30，其中在重叠的子电池10、32之间存在紧密的热耦合34。所述两个子电池10、32在电池绕组30的“正常运行”中电并联。在“故障情况”（诸如在所述两个子电池10、32之一中的短路）下，所述两个子电池10、32可以借助于优选地电子的监控装置36被电隔断。所述电隔断例如可以利用被构造为断开器的开关38来实现，所述开关38能够借助于监控装置36操控。开关38可以利用机电的继电器或者利用适当的功率半导体来实现，其中在后者的情况下，子电池10、32的电流的或者无电势的隔断是不可能的。
图3示出具有棱柱形的造型的电池绕组40的一种实施方式。
为了构造棱柱形状，电池绕组40利用重叠的第一和第二子电池42、44来构成，所述子电池42、44几乎回形地被交错地卷绕。子电池42、44的结构性构造分别对应于在图1中所描述的子电池10。棱柱形的电池绕组40优选地被设置用于具有长方体形的或者正方体形的外壳的锂离子蓄电池。与这里仅仅示范性地示出的两个子电池42、44不同，电池绕组40也可以具有三个或者更多子电池10、42、44。按照本发明，所述电池绕组40的两个子电池42、44借助于图2的监控装置36能够彼此被电隔断。
在电池绕组40的“正常运行”中，所述两个子电池42、44并联，以便尤其是确保均匀的充电。在电池绕组40的例如在子电池中的内部短路的情况下存在的“故障情况”下，借助于监控装置36将损坏的子电池42立即与还完好的子电池44电隔断。所述电分离或者切断借助于在图2中示意性示出的、优选地电子的监控装置36、借助于继电器或者借助于适当的功率半导体来实现。通过迅速实现的电分离，完好的子电池44附加地充当用于欧姆损耗热的散热器，所述欧姆损耗热在损坏的子电池42的在短路情况下一般为了损害限制而被引入的快速放电中被释放，其中对于快速放电过程来说电池绕组40的全部载流能力同时能够被充分利用，使得快速放电时间的缩短是能够实现的。
图4图解具有圆柱形的造型的电池绕组50的另一种实施方式。
为了构造圆柱形状，利用两个重叠的并且近似螺旋形地被缠绕的子电池52、54来构成电池绕组50，所述子电池52、54的结构性构造又分别依照已经在图1中解释的子电池10。电池绕组50首先适合于锂离子蓄电池，所述锂离子蓄电池的外壳具有与长方体不同的、没有角的造型。与这里仅仅示范性的第一和第二子电池52、54不同，电池绕组50也可以具有三个或者更多子电池10、52、54。
图5图解具有内部绕组62和同轴地包围该内部绕组62的外部绕组64的电池绕组60的另一种实施方式。
利用内部绕组62和同轴地包围该内部绕组62的外部绕组64来构成电池绕组60，其中在内部绕组62与外部绕组64之间设置有电绝缘的隔断层66。利用被缠绕的第一子电池68来构成内部绕组62，而利用被卷起的第二子电池70来构成外部绕组64。在内部绕组62中以及在外部绕组64中，被卷起的子电池68、70分别彼此重叠或者彼此紧贴。
尤其是除了外部的第二子电池70的绝缘层72之外，隔断层66充当在内部绕组62与外部绕组64之间的附加的电绝缘。至少一个另外的外部绕组64可以在需要的情况下在另一隔断层66的中间连接的情况下被缠绕到所示出的外部绕组64上。
图6图解具有用于电连接的阴极凸起部K11、K12、K21、K22和阳极凸起部A11、A12、A21、A22的两个展开的、重叠的幅面状的子电池80、82的示意性俯视图。
所述两个展开的、重叠的幅面状的或者条状的子电池80、82关于其这里共同的长轴84分别具有宽度B。所述两个子电池80、82的层构造又与已经在图1中解释的子电池10的结构性造型相对应。
在这里示例性地，两个例如梯形的阴极凸起部K11和K12——作为第一子电池80的（这里为了更好的绘图概览未进一步示出的）金属阴极12的或者第一导电体22的完整组成部分——分别横向于长轴84地被构造在第一子电池80的第一长边86处。相应地，两个阳极凸起部A11和A12分别与阴极凸起部K11和K12相对地或者关于长轴84镜像地被构造在第一子电池80的第二长边88处。阴极凸起部K11和K12以及阳极凸起部A11和A12以分别横向于长轴84地超出了第一子电池80的长边86、88一个宽度b的方式突出。在阴极凸起部K11和K12之间以及在阳极凸起部A11和A12之间分别关于其在轴向上的中心存在L1的轴向间距。第一子电池80拥有大量这里未示出的对应于阴极凸起部K11、K12和阳极凸起部A11、A12被构造的阴极凸起部K11、K12和阳极凸起部A11、A12，所述阴极凸起部K11、K12和阳极凸起部A11、A12的间距L1分别发生变化，使得在第一子电池80的被缠绕的状态中，为了提供用于电池绕组100、200的电接触的或者用于电池绕组100、200的连接的、足够机械稳定的并且有载流能力的阴极接触部102和阳极接触部（参见图7、8），所述阴极凸起部K11、K12和阳极凸起部A11、A12在理想情况下在四周（umfangsseitig）分别叠合地重叠。
相应地，大量相应地被构建的阴极凸起部K21、K22和阳极凸起部A21、A22被构造在第二子电池82的两个长边90、92处，在所述大量阴极凸起部和阳极凸起部中利用虚线来表示分别仅仅两个阴极凸起部K21、K22和阳极凸起部A21、A22来代表所有其余的阴极凸起部和阳极凸起部。在阴极凸起部K21、K22之间以及在阳极凸起部A21、A22之间存在L2的间距。在所述各个阴极凸起部K21、K22和阳极凸起部A11、A12之间的间距L2沿着第二子电池82的长度伸展而变化、尤其是根据所应用的、例如螺旋形的或者扁桃形的绕组几何结构而变化，使得在第二子电池82的被缠绕的状态中，阴极凸起部K21、K22和阳极凸起部A21、A22在理想情况下又叠合地相互重叠或者相互紧贴。
图7示出具有两个能够借助于监控装置36彼此电隔断的子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的棱柱形的电池绕组100的大大简化的俯视图。
示例性地又是棱柱形的电池绕组100在两侧都具有大量没有单个地标明的阴极凸起部K11、K12、K21、K22和阳极凸起部A11、A12、A21、A22，所述阴极凸起部K11、K12、K21、K22和阳极凸起部A11、A12、A21、A22共同构成两个这里可见的在上侧的阴极接触部102、104，而两个在下面的阳极接触部在图6的图示中是不可见的。通过总计四个阴极接触部102、104和阳极接触部来实现电池绕组100的第一和第二子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的电气的彼此无关的连接或者操控，其中所述子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82借助于自动的监控装置36在电池绕组100的“正常运行”中持久地自动地被监控，而且在“故障情况”下借助于所述监控装置36能够立即彼此被电隔断。
图8示出具有四个子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的电池绕组200的一种实施方式的原理俯视图。
这里，示范性地利用四个子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82来构造电池绕组200，所述四个子电池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的阴极凸起部K11、K12、K21、K22和阳极凸起部A11、A12、A21、A22被联合成四个这里可见的、在上侧的阴极接触部202、204、206和208，而四个在下侧的阳极接触部这里又被覆盖或者是不可见的。

Claims (13)

1.用于锂离子蓄电池的电池绕组（30、40、50、60、100、200），所述电池绕组（30、40、50、60、100、200）具有至少两个以节约空间的方式被缠绕的并且彼此热耦合的子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82），其特征在于，所述至少两个子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）在正常运行中被电并联，并且在故障情况下、尤其是在至少一个损坏的子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）中的内部短路的情况下能够将至少一个损坏的子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）与至少一个完好的子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）电分离。
2.根据权利要求1所述的电池绕组（30、40、50、60、100、200），其特征在于，每个子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）都具有至少局部地涂有第一活性材料（14）的阴极（12）和至少局部地涂有第二活性材料（18）的阳极（16），并且隔离层（20）延伸在所述第一与第二活性材料（14、18）之间。
3.根据权利要求2所述的电池绕组（30、40、50、60、100、200），其特征在于，至少一个子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）的阴极（12）和/或阳极（16）配备有绝缘层（26、72），所述绝缘层（26、72）将所述子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）与至少一个另外的子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）隔断。
4.根据权利要求1至3之一所述的电池绕组（40），其特征在于，所述至少两个子电池（42、44）为了构造所述电池绕组（40）的棱柱形状基本上回形地被卷绕。
5.根据权利要求1至3之一所述的电池绕组（50），其特征在于，所述至少两个子电池（52、54）为了构造所述电池绕组（50）的圆柱形状基本上螺旋形地被卷绕。
6.根据权利要求4或5所述的电池绕组（60），其特征在于，在至少两个子电池（52、54）之间分别设置有电绝缘的和/或机械隔离的和/或隔热的隔断层（66）。
7.根据权利要求1至3之一所述的电池绕组（60），其特征在于，所述电池绕组（60）具有内部绕组（62）和包围所述内部绕组（62）的外部绕组（64），其中所述内部绕组（62）和所述外部绕组（64）分别利用被卷绕的子电池（68、70）来构成。
8.根据权利要求7所述的电池绕组（60），其特征在于，至少一个另外的、包含一个另外的子电池（68、70）的外部绕组（64）被缠绕到所述外部绕组（64）上。
9.根据权利要求7或8所述的电池绕组（60），其特征在于，在所述内部绕组（62）与所述外部绕组（64）之间和/或在所述至少两个外部绕组（64）之间分别设置有电绝缘的和/或机械隔离的和/或隔热的隔断层（66）。
10.根据上述权利要求之一所述的电池绕组（30、40、50、60、100、200），其特征在于，每个子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）在被放开的状态中都具有基本上幅面状的带有宽度（B）的外形。
11.根据上述权利要求之一所述的电池绕组（30、40、50、60、100、200），其特征在于，每个子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）的阴极（12）和阳极（16）为了电接触优选地以相对的方式具有至少一个阴极凸起部（K11、K12、K21、K22）和至少一个阳极凸起部（A11、A12、A21、A22），其中所述至少一个阴极凸起部（K11、K12、K21、K22）和所述至少一个阳极凸起部（A11、A12、A21、A22）以分别横向于所述子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）的长轴（84）分别超出所述子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）的两个长边（86、88、90、92）中的一个长边一个宽度（b）的方式突出。
12.根据权利要求11所述的电池绕组（30、40、50、60、100、200），其特征在于，至少两个阴极凸起部（K11、K12、K21、K22）以及至少两个阳极凸起部（A11、A12、A21、A22）以彼此在轴向上偏移间距（L1、L2）的方式被构造在所述子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）的每个长边（86、88、90、92）处。
13.根据权利要求12所述的电池绕组（30、40、50、60、100、200），其特征在于，所述间距（L1、L2）分别发生变化，使得在每个子电池（10、32、42、44、52、54、68、70、80、82）的被缠绕的状态中，所述阴极凸起部（K11、K12、K21、K22）和所述阳极凸起部（A11、A12、A21、A22）基本上叠合地重叠来提供阴极接触部（102、104、202、204、206、208）和阳极接触部。
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