CN107406006B - 用于机动车电池的电池单体、电池以及机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车电池的电池单体(24)，其包括电池单体壳体(32)，在该电池单体壳体中容纳有电元件(26)。电池单体(24)包括两个电气连接端(28、30)，电池单体(24)可经由所述电气连接端与电池的至少一个另外的电池单体电气连接。至少一个开关元件(38)借助于控制单元(40)可转变为如下切换状态，在该切换状态下在电元件(26)的引出头(34)与电气连接端(28、30)中至少之一之间的导电连接被中断。此外，本发明还涉及一种具有多个这样的电池单体(24)的电池以及具有电池的机动车。

Description

用于机动车电池的电池单体、电池以及机动车
技术领域
本发明涉及一种用于机动车电池的电池单体。电池单体包括电池单体壳体，在该电池单体壳体中容纳有电元件/电化学元件(galvanisches Element)。经由两个电气连接端，该电池单体可以与电池的至少一个另外的电池单体电气连接。此外本发明还涉及一种具有多个这样的电池单体的电池和一种具有电池的机动车。
背景技术
由现有技术例如文献DE 10 2010 045 037 A1已知的是，将多个电池单体连接为一个电池以便提供特定的电压或特定的电流。这样的电池当今特别是用作机动车如电动车或混合动力车辆中的牵引用电池，以用于提供电驱动能。
在这样的电池单体中可以设有所谓的电流中断装置(CID，Current InterruptDevice)。这样的电流中断装置被设置为，在太高的外部通过电流的情况下、亦即在外部短路的情况下以及附加或备选地在电池单体壳体中提高的内压的情况下一次触发。结果，流经电池单体的通过电流被中断，从而也不出现电池单体的进一步发热。由此也不激起或加强进一步的化学反应，并且避免了所谓的电池单体热跑脱或热失控(“thermal runaway”)。同时然而不再具有电池单体的如下功能，即输出或接收电流。
在标准的电池单体、如用于机动车牵引用电池的电池单体中，可以设有电流中断装置，其根据图1阐明。由示意示出的电池单体10在此部分示出电池单体壳体12，其中设有电元件14。在电元件14的引出头16与电池单体10的电气连接端18之间设有电流中断装置20，其在电池单体10中包括可由于外部影响而变形的金属片22。金属片22相当于双金属元件地工作，该双金属元件的变形依赖于温度。在初始状态下，与连接端18连接的金属片22贴靠在引出头16上，如图1所示。然而在电池单体壳体12内的压力上升或温度升高的情况下，例如由于气体生成，金属片22向上拱曲。
这在图2中示出。由此中断了在引出头16与电气连接端18之间的导电连接。引出头16是电元件14的电极的一部分，该电极除了引出头16之外还包括电极(未示出)的化学活性材料。
此外文献EP 2 306 485A1描述了一种具有电流中断装置的电池单体，该电流中断装置被构造成熔断式保险装置。通过例如锡材料的熔断，在此持久地中断在电元件的引出头与电池单体的电气连接端或正负极之间的接触。
在这样的电池单体中可视为不利的是，这样的电流中断装置是比较昂贵的构件。再者在这样的电流中断装置的方案中必须引入一系列的妥协。触发功能亦即与电气保险装置是相似的。相应地，压力、温度和电流强度以及这种高的参量存在的持续时间在触发行为方面也具有很大的作用。由于这些，所述参数的相应特性曲线叠加，并且可能出现迟滞。这导致，准确的触发阈值难以预先给定。亦即难以尽可能全面地考虑不同因素的共同作用。此外非常麻烦的是，对于每个电池单体类型在这些因素方面进行适合的协调。
此外这样的机械电流中断装置仅仅可以一次触发。换言之电流中断装置在触发之后不再可以恢复，电流中断那么是不可逆的。再者这样的机械构件需要在制造电池单体时大的精度，以便电流中断装置可以满足其期望的功能。
在具有电流中断装置(其也在电池单体壳体内的内压上升的情况下触发)的电池单体中，此外通常应用所谓的过充添加剂。这样的添加剂在电池单体过充时导致气体释放并因此导致内压上升。然而这样的过充添加剂的向电池单体中的引入是不期望的，因为电池单体壳体中内压的上升应尽可能地避免。过充添加剂此外导致电池单体壳体内压力的缓慢的不断的上升。由此随着时间的流逝特别是在不可预测的时刻可以导致电流中断装置的不期望的触发。
因此也存在没有电流中断装置的电池单体，其不包含发出气体的过充添加剂，以便在过充时不会不必要地提高电池单体内压。电流中断装置及其优点和缺点因此得到激烈的和有争议的讨论。亦即一方面期望的是，电池单体的电流中断装置尽可能可靠和鲁棒。但是另一方面电流中断装置应在触发方面是尽可能灵敏的。
发明内容
本发明的任务在于，实现开始所述类型的电池单体、电池和机动车，它们关于电池单体中的电流中断方面得以改善。
该任务通过具有权利要求1的特征的电池单体、具有权利要求9的特征的电池以及具有权利要求10的特征的机动车来解决。具有本发明的适宜改进的有利设计方案在从属权利要求中给出。
按照本发明的电池单体包括至少一个开关元件，该开关元件借助于控制单元可转变为如下切换状态，在该切换状态中在电元件的引出头与电气连接端中至少之一之间的导电连接被中断。通过设置控制单元——借助于控制单元通过驱控开关元件该开关元件可转变为打开的切换状态——提供了智能电池单体，亦即所谓的“SmartCell”。借助于控制单元亦即可以特别简单地预先给定标准，在满足该标准的情况下如此切换至少一个开关元件，使得导电连接被中断。因此借助于智能性可以预定或编程开关元件的准确触发。相应地特别是关于电流中断方面改善了电池单体。
此外开关元件的多次触发是可能的。开关元件可以借助于控制单元重新转变为另一切换状态，在该切换状态中重新建立在引出头与电池单体的至少一个电气连接端之间的导电连接。导电连接的中断因此是可逆的，从而可以再激活开关元件用于再度触发。
控制单元此外能实现，考虑新一代电池单体的开发或电池单体的改进，其方法是：与这样的电池单体相匹配的触发标准通过控制单元的相应编程来确定。因此导电连接的中断可以特别简单地匹配于新的事件，更确切地说不仅已经在制造电池单体时而且随后在其应用、例如应用在机动车的电池中时。
也可以规定，在电元件的两个引出头中的每一个与相应电气连接端之间均设有可借助于控制单元切换的开关元件。因此可以实现该电池单体与电池的另外的电池单体的特别可靠的分离。
可能的是，将开关元件被构造成继电器。随后可以实现特别可靠的电流阻断。然而这样的机械工作的构件需要在电池单体内比较大的结构空间。因此优选地，所述至少一个开关元件被构造成半导体元件。这样的半导体元件可以特别简单和快速地转变为期望的切换状态，其中为此在控制单元测存在的能量需求是格外小的。此外可以设有继电器与半导体元件的组合，以便可以不仅特别快速地而且特别可靠地中断导电连接。
为了提供半导体元件的有利的特性，作为开关元件可以应用例如具有反向二极管的负荷隔离开关/组合式负荷开关，例如场效应晶体管，特别是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，优选功率MOSFET。也可以在所述电气连接端中至少之一与引出头之间的路径上作为开关元件设有具有两个场效应晶体管(特别是两个MOSFET)的电子继电器，所述两个场效应晶体管反串联连接，其中依次电气连接的场效应晶体管具有导通方向相反的反向二极管。因此可以特别可靠地确保导电连接的中断。附加地或备选地，至少一个开关元件可以被构造成氮化镓开关(GaN-开关)或者类似的具有这种具有宽的带状空隙的材料——其例如为碳化硅的形式——的开关元件。
这样的半导体元件带来电气特性方面的极大的优点，特别是在大的电流密度或功率密度方面，其对于每个半导体元件是可达到的。再者这样可以提供特别紧凑的开关元件。开关元件除此之外允许特别高的切换速度、特别是关断速度，例如几百千赫兹(以及更大)。电流中断那么可以特别快速地实现。而且这样的半导体开关允许直至250摄氏度的特别高的运行温度，而不会导致开关元件的不可逆的损坏。此外利用所述半导体开关可以实现特别低的导通电阻，其伴随着值得期望的小的开关损耗。
特别是，至少一个开关元件可以设计为所谓的栅极发射晶体管(GIT)，例如设计为自截止类型的氮化镓晶体管。这样的氮化镓晶体管因此特别高程度地具有上述有利特性。这样的开关元件在栅极连接端上没有控制电压的情况下不允许电流流经。亦即这样的开关元件在没有控制电压的情况下位于关断状态，在该关断状态中中断导电连接。这出于安全原因来说是有利的。
半导体元件例如功率晶体管可以构造成，使得其仅具有两个切换状态，亦即中断导电连接的切换状态和在引出头与电气连接端之间建立导电连接的另一切换状态。这使得半导体开关的设计简单并且半导体元件的开关特别可靠。
优选地，控制单元设置在电池单体壳体内。那么开关单元受到良好保护。此外可以特别好地给控制单元提供传感器的信号，该传感器检测电池单体的参数并且为此同样位于在电池单体壳体内。
已经证实为更有利的是，借助于控制单元可检测来自以下组中的至少一个参数，该组包括流经电池单体的电流的电流强度。在此控制单元被构造成，根据至少一个参数将至少一个开关元件转变为如下切换状态，在该切换状态中中断在电元件的引出头与所述至少一个电气连接端之间的导电连接。
这样例如可以确保，在高短路电流、例如电流强度为2千安至4千安的电流的情况下实现电元件与连接端或电池正负极的可靠的、特别是多次的分离并因此实现电池单体的关断。
附加地或备选地，例如可以借助于至少一个与控制单元耦合的传感器检测例如温度作为至少一个参数。因此例如在超过温度阈值的情况下可以将至少一个开关元件转变为如下切换状态，在该切换状态下中断导电连接。因此可以特别是在短路情况下或在热跑脱(thermal runaway)之前可靠关断电池单体。
在从电池单体外部温度加载的情况下，亦即在不是通过在电池单体内的过程引起热施加的情况下，控制单元可以为了安全起见驱控开关元件并且中断导电连接。这可以是例如如下情况，即由于另一电池单体或电池的其他部件(或与电池邻接的部件)起火而导致热进入电池单体中。
关于这种在电池单体中出现的或者由电池单体的环境作用于电池单体上的热加载的信息可以优选借助于控制单元来通信，例如被告知给电池的上级控制装置。附加或备选地，这样的信息可以保存在控制单元的存储器中并且在需要时读取。
已经证实为更有利地是，借助于至少一个与控制单元耦合的传感器或借助于控制单元自身可以检测电压和/或压力和/或机械应力和/或电元件的电解质的特性和/或加速度，其中控制单元设计为，根据至少一个这样的参数打开至少一个开关元件。
因此例如可以在超过一个或多个这种参数的阈值时中断在引出头与电气连接端之间的导电连接。通过这种方式可特别是确保，将故障的电池单体与电池的电池单体组电流阻断。
特别是，如果例如在超过温度、电流强度或电压的最高值时关断或孤立电池单体，则可以提供过充保护。而且电池单体的这样的自脱离也可以按照熔断保险装置的形式在超过例如温度、电流强度、压力或诸如此类的最高值时实现。
此外对于电池单体的安全性有益的是，根据加速度如此切换至少一个开关元件，使得中断导电连接。因此在配备电池的机动车中例如可以在碰撞的情况下确保电池单体的无电压切换。
那么可以根据借助于至少一个传感器或借助于控制单元检测到的数据可以考虑用于安全触发电流中断的、特别多的触发标准。
在此相应的传感器可以检测在电池单体壳体内的所述的参数。附加或备选地可以设有如下传感器，所述传感器借助至少一个参数检测在电池单体壳体之外存在的条件。通过考虑多个描述在电池单体壳体之内和/或之外的条件的参数可以非常好地预先给定与相应情况协调的触发标准，从而总是可以确保导电连接的可靠中断。因此实现特别安全的智能电池单体(“Safe SmartCell”)。相应的触发标准可以保存在特性曲线或特性曲线族中，例如在存储单元的存储组件/存储功能块中。通过特性曲线或特性曲线族的变化可以特别是考虑电池单体的老化。
优选地，控制单元具有接口，经由该接口可改变至少一个参数的阈值，在超过该阈值的情况下将至少一个开关元件转变为切换状态。因此可以特别是通过改变特性曲线或特性曲线族来匹配触发标准。因此可以超过电池单体使用寿命地考虑电池单体的变化。触发标准亦即不是一次地预先给定并因此是静态的，而是可动态地匹配于变化的事件。这使得电流中断的触发是特别灵活的。触发标准的匹配虽然也可以通过控制单元的更换来实现，然而通过控制单元的接口进行这样的变化显然廉价得多。
已经证实为更有利的是，控制单元被设计为用于传送信息给电池的上级控制装置和/或用于接收由上级控制装置发出的命令。为此特别是可以利用控制单元的接口。
在此可以设置有线和/或无线的通信。因此可以将开关元件的故障和/或相应的切换状态告知上级控制装置、例如电池管理系统。再者上级控制装置可以输出命令给电池单体的控制单元。因此特别是可以在整个电池的状态方面通过控制单元引起导电连接的中断，该控制单元驱控开关元件。
被构造成用于与电池的上级控制装置通信的控制单元此外能实现相互联网的电池单体的数据交换。因此例如多个电池单体、特别是所有电池单体在满足触发标准的情况下例如可以出于安全原因被去激活。相应地随后在相应电池单体中将开关元件转变为如下切换状态，在该切换状态下中断在引出头与电气连接端之间的导电连接。
此外有利地是，为了给控制单元供应电能，控制单元与电元件耦合。于是控制单元亦即直接由电池单体获取对于开关元件的切换所需的电能。这关于由电池单体提供的电能方面然而是没有问题的，这是因为非常少量的能量就能足以应付控制单元，亦即优选是低功率实施方案、特别是超低功率实施方案。
附加地或备选地，控制单元可以与电蓄能器耦合，例如与设置在电池单体壳体中的电容器耦合。设置这样的单独的蓄能器使得对于控制单元的电能的提供不依赖于由电池单体的电元件提供的电能。因此可以总是确保开关元件的可靠的切换并进而确保通过电流的中断。
特别是，这样的蓄能器可以在电池单体充电时被一起充电。当在车辆中应用具有多个电池单体的电池时这一点例如可以在所谓的回收运行期间实现。单独的蓄能器然而也可以在电池连接到电流源上之后一起充电。
最后已经证实为有利地是，控制单元被构造成，检查至少一个开关元件的功能可靠性。即可以将自诊断功能集成到控制单元中，其中例如以可预先规定的时间间隔检查至少一个开关元件。为此可以借助于控制单元在开关元件上进行测量，该测量对其状态给出结论。
这样的自诊断可以以可预先规定的可编程的时间间隔来设定或在外部发起。例如，这样的对开关元件的状态或其功能可靠性的查询可以由例如电池管理系统的微处理器形式的外部控制装置来发起。由此可以在开关元件故障时负责使导电连接持久中断。另一方面可以通过检查开关元件确定，开关元件是否能可靠地转变为其不允许存在通过电流的、中断导电连接的切换状态。故障的开关元件的存在然后可以告知给操作人员并且在需要时更换开关元件。
按照本发明的电池包括多个按照本发明的电池单体，这些电池单体可以串联连接和/或并联连接。
按照本发明的机动车包括至少一个按照本发明的电池。机动车可以被构造成例如轿车、特别是电动车或混合动力车辆。此外机动车也可以是电动摩托车或电动自行车。
此外也可能的是，电池设置在静止的蓄能系统中。除此之外可以规定，已提供在机动车中的电池进一步用作所谓的二次生命电池，其中电池被提供给其他方式的利用。特别是在二次生命应用中，例如对电池单体的功率能力的要求可以比在电池单体用于机动车电池的应用中的小。
对于按照本发明的电池单体所述的优点和优选实施形式也适用于按照本发明的电池以及按照本发明的机动车。
以上在说明书中所述的特征和特征组合以及以下在附图说明中所述的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能以分别给出的组合而且能以其他组合或单独地使用，而不会脱离本发明的保护范围。因此以下实施方案也视为被本发明包括和公开，其虽然在附图中没有明确示出或阐明，然而通过从所阐明的实施方案中分选出特征进行组合可得知和可产生。
附图说明
本发明的另外的优点、特征和细节由权利要求、优选实施形式的以下描述以及根据附图产生。其中：
图1示意地并且局部地示出按照现有技术的具有电流中断装置的电池单体；
图2示出按照图1的电池单体，然而其中电流中断装置被触发；以及
图3示意地示出具有电子电流中断装置的电池单体，其中半导体开关元件由控制单元驱控，以便中断在电元件的引出头与电池单体的电气连接端之间的导电连接。
为了阐明在图1和2中示出的按照现有技术的电池单体10，参照说明书的开头部分。
具体实施方式
在图3中示意地示出改善的电池单体24，其同样具有电流中断装置。电池单体24例如可以用于机动车的电池中并且例如被构造成锂离子电池单体。在如用作机动车牵引用电池的电池中，通常多个这样的电池单体24串联和/或并联地电气连接，以便提供相应高的电压和电流。
在电池单体24的运行中现在可以出现如下情形，在所述情形中有利的是，由电池单体24的电元件26到电池单体24的两个电气连接端28、30中的至少一个电气连接端的通过电流可被中断。这可以利用在图3中示意示出的、可切换的并且智能的电池单体24来确保。
电池单体24包括电池单体壳体32，其在此示例性地被构造成棱柱形。在电池单体壳体32内容纳有电元件26。电元件26包括引出头34、36，引出头被以相应的电化学活性材料覆层。为了简化，在此仅仅示出通到电池单体24的第一电气连接端28(例如正极)的引出头34和通到电池单体24的第二电气连接端30的引出头36。在引出头34、36中至少之一与电气连接端28、30之一之间设置有开关元件38，借助于该开关元件可以中断导电连接，其方法是：打开开关元件38。在此开关元件38示例性地设置在电元件26的引出头34与电池单体24的形成正极的连接端28之间的导电连接中。在备选实施形式中然而也可以通过设有这样的开关元件38使引出头36与电气连接端30分离。
为了驱控例如被构造成半导体元件的开关元件38，在此设有控制单元40，其设置在电池单体壳体32内。根据开关元件38的设计而定，控制单元40可以负责用于，当在开关元件38上存在控制电压时中断或建立在引出头34与连接端28之间的导电连接。通过开关元件38与控制单元40的配合/共同作用，提供了电子电流中断装置，其方法是：设有用于半导体元件的智能驱控。
这特别是能实现，对准确的触发进行编程，亦即预先给定如下参数，通过该参数决定，控制单元40是否应引起开关元件38的打开。
为此控制单元40在此与传感器42耦合，该传感器可以检测多个参数。在此示意地示出传感器42，其设置在电池单体壳体32中并因此检测电池单体壳体32内的相应的参数。这些参数可以包括例如温度、压力、加速度、(例如借助于力传感器可检测的)机械应力或电元件26的电解质的组分。控制单元40自身此外能够检测通过电池单体24的通过电流以及在引出头34、36上存在的电压。根据传感器数据以及借助于控制单元40直接检测到的测量值可以考虑多个触发标准，以便将开关元件38转变为打开的切换状态，在该切换状态下中断在引出头34与电气连接端28之间的导电连接。
附加或备选地，(未示出的)传感器可以检测存在于电池单体壳体32外的相应参数，例如温度、加速度以及特别是电流强度和电压的值。这些测量值也可以在确定触发标准时被考虑。
此外，通过设置控制单元40，可以超过电池单体24的使用寿命地动态地匹配和改变触发标准。为此控制单元40可以具有接口44，该接口允许控制单元40的相应的重新编程。
由于设有驱控开关元件38的控制单元40，此外开关元件38的多次触发以及开关元件38的可逆的再激活是可能的。即半导体元件可以重新转变为如下切换状态，在该切换状态下建立在引出头34与连接端28之间的导电连接。
控制单元40经由接口44此外可以将信息传送给电池的上级控制装置46，该上级控制装置例如可以被构造成电池管理系统。此外可以由上级控制装置46将命令传送给控制单元40。多个电池单体24的这样的联网和相互数据交换特别是能实现，例如出于安全原因使多个参与的电池单体24不工作。
特别是在新一代电池单体24的研发或在现有的电池单体24的改进的过程中，可以通过控制单元40的简单编程使触发标准匹配于新的事件。这可以例如在制造电池单体24时实现或者在如下运行中实现，该运行使用用于制造电池、特别是机动车电池的电池单体24。在包括电池单体24的电池的维护的范围中也可以进行触发标准的这样的更新。
此外在如下情况下产生成本优点，即对于不同类型的电池单体24使用统一的电子部件作为所述至少一个开关元件38，其触发行为可以与电池单体24的类型一致地进行编程。

Claims (10)

1.一种用于机动车电池的电池模块，该电池模块包括第一电池单体(24)和至少一个另外的电池单体，所述第一电池单体和所述至少一个另外的电池单体中的每一个均包括：电池单体壳体(32)，在该电池单体壳体中容纳有电元件(26)；两个电气连接端(28、30)，该第一电池单体(24)与所述至少一个另外的电池单体能经由所述电气连接端电气连接；布置在电池单体壳体(32)内的控制单元(40)；以及在电元件(26)的引出头(34、36)中至少之一(34)与电气连接端(28、30)之一之间设置的至少一个开关元件(38)，该至少一个开关元件借助于所述控制单元(40)能转变为打开的切换状态，在该打开的切换状态下在所述引出头(34、36)中至少之一(34)与相应电气连接端(28、30)之间的导电连接是中断的，
所述控制单元(40)具有接口(44)，该接口允许控制单元(40)的相应的重新编程，通过所述重新编程使触发标准匹配于新的事件，开关元件(38)在满足触发标准时被转变为所述打开的切换状态。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述至少一个开关元件(38)被构造成半导体元件。
3.根据权利要求1或2所述的电池模块，其特征在于，借助于控制单元(40)和/或借助于至少一个与控制单元(40)耦合的传感器(42)能检测来自以下组中的至少一个参数，该组包括：
·流经第一电池单体(24)或所述至少一个另外的电池单体的电流的电流强度；和/或
·温度；和/或
·电压；和/或
·压力；和/或
·机械应力；和/或
·电元件(26)的电解质的特性；和/或
·加速度；
其中，控制单元(40)被构造成，根据所述至少一个参数将所述至少一个开关元件(38)转变为所述打开的切换状态。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其特征在于，经由所述接口能改变所述至少一个参数的阈值，在超过该阈值的情况下所述至少一个开关元件(38)被转变为所述打开的切换状态。
5.根据权利要求1或2所述的电池模块，其特征在于，控制单元(40)被设计用于传送信息给电池的上级控制装置(46)和/或用于接收由上级控制装置(46)发出的命令。
6.根据权利要求1或2所述的电池模块，其特征在于，为了给控制单元(40)供以电能，控制单元(40)与电元件(26)耦合和/或与电蓄能器耦合。
7.根据权利要求6所述的电池模块，其特征在于，所述电蓄能器是电容器。
8.根据权利要求1或2所述的电池模块，其特征在于，控制单元(40)被构造成，检查所述至少一个开关元件(38)的功能可靠性。
9.一种电池，具有多个串联和/或并联连接的、根据权利要求1至8之一所述的电池模块。
10.一种机动车，包括至少一个根据权利要求9所述的电池。
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GR01 Patent grant
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