CN108370016B - 用于跨接电构件、尤其能量源或能量消耗装置的电跨接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有两个电导体(1，2)的电跨接装置，所述电导体彼此电绝缘并且如此布置，使得所述两个导体(1，2)的两个表面区域通过间隙彼此间隔开。两个表面区域分别覆盖有由能够导电的材料构成的层(3，4)，所述材料具有比所述电极更低的熔点。在所述两个层(3，4)上方布置有反应层(6)，在所述反应层中可以触发放热反应。所述两个表面区域之间的间隙如此选择，并且所述反应层(6)如此确定尺寸和布置，使得所述由能够导电的材料构成的两个层(3，4)通过在所述反应层(6)的放热反应时释放的热能在所述间隙处熔化，并且由此在所述电导体(1，2)之间建立电连接。所提出的跨接装置能够允许在触发状态下在低串联电阻的情况下同时流过大电流、能够实现所监控的构件的持续的不可逆的跨接、并且可以成本有利地实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种电跨接装置，该电跨接装置由至少两个彼此电绝缘的电导体构成，所述电导体能够通过触发布置在所述导体上的反应层中的放热反应而彼此电连接。
这种电跨接装置尤其用于跨接能量源或能量消耗装置。这样的能量源或能量消耗装置存在于大量设备中、例如电动车辆或固定式能量存储器中。在此，电能可以以化学形式存储(例如电池单元)，或者也可以以物理形式存储(例如电容器单元)。为了产生足够的电压以及100至1000A的高电流——这例如对于具有电驱动器的机动车而言是所需的，将多个这种单元、例如4个至多于100个单元串联连接成单元堆叠。串联或并联连接的单元面临的一个挑战是整个堆叠的可靠性以及单元故障情况下堆叠的重组(Umorganisation)。在没有其他措施的情况下，如果堆叠中的一个单元失效，则即使该堆叠本身仍包括足够数量的功能正常的单元，整个系统也会失效。因此，在电动汽车中使用这种系统的情况下，单元失效可能会导致系统失效。此外，劣化的(degradiert)电池单元还可能具有增大的内阻，这随后会导致所述单元的不允许的发热。因此，原则上期望能够在能量存储器的运行期间电跨接损坏的单元，以便避免这类问题。
类似的问题也存在于串联连接的消耗装置的情况下、例如在具有多个串联连接的照明元件的照明系统的情况下。如果消耗装置中的一个失效，则这可能导致整个系统失效。
背景技术
为了解决上述问题，已知所谓的反熔丝(Antifuse)，所述反熔丝在失效时电跨接相应的单元或相应的消耗装置。所述反熔丝主要使用在低功率系统中、例如集成电路和照明系统中。例如已知这样的熔丝：所述熔丝在两个金属接通部之间具有由不导电的非晶硅构成的薄屏障。如果通过两个连接端将足够高的电压施加到非晶硅上，则非晶硅转变成具有低电阻的导电多晶硅金属合金。在照明系统的情况下，借助这种反熔丝避免在单个发光体失效的情况下整个串联电路失效。在此，所述发光体设有这种熔丝。在发光体失效的情况下，整个电网电压施加在单个失效的发光体上。因此，熔丝起作用并且失效的发光体被电跨接，使得串联电路可以继续实施其功能。
此外，例如在光伏领域内已知，通过旁路二极管跨接能量源或能量消耗装置。例如在太阳能发电单元被遮蔽的情况下，旁路二极管用于管理单元的能量产生的短期中断。然而，旁路二极管仅建立单向的连接，使得具有旁路二极管的能量存储器仅能在能量输出的情况下可靠地运行。然而，因为二极管会在相反的方向上截止，所以无法实现对剩余功能正常的单元的再充电。因此，对于一开始所提及的应用来说，例如由光伏领域所已知的旁路二极管不是用于跨接的实用措施。
由DE 37 21 754 A1已知一种用于保护电池单元的跨接装置，该跨接装置能够实现对高阻性故障的、被破坏的存储器单元的不可逆跨接。该跨接装置由两个逐层串联布置的半导体构件构成，所述半导体构件分别具有不同的电流/电压特性。在被破坏的存储器单元发生高阻性故障时，高充电电流流过两个半导体构件，由于由此引起温度急剧升高，所述半导体构件损坏并且由此不可逆地低阻性短路存储器单元。然而仅当蓄电池单元已经严重劣化时，才触发这种被动跨接装置。例如为防止高功率损耗的提前触发则是无法实现的。
目前所描述的反熔丝不适用于一开始所提及的应用、例如用于给电驱动器提供功率的电池的情况。这主要是由于所述熔丝在触发状态下的高电阻(该高电阻导致直至50W范围内的损耗功率并且因此导致熔丝的不允许的发热)、所述熔丝的低载流能力
以及其高成本。
由DE 10 2012 005 979 A1描述一种用于对能量存储器中损坏的存储器单元进行跨接的电跨接元件，该电跨接元件原则上也适用于高电功率的电池。在这种跨接元件的情况下，在两个电导体之间构造有层序列，该层序列具有至少一个电绝缘层以及一个或多个反应层堆叠，在该反应层堆叠中可以触发放热反应。反应层堆叠和绝缘层彼此如此匹配，使得通过放热反应情况下释放的热能熔化绝缘层并且建立电导体之间的电连接。然而在这种跨接元件的情况下，绝缘材料的残留物可能会引发问题。
本发明的任务在于，说明一种用于跨接电构件的电跨接装置，该电跨接装置在触发状态下能够在低串联电阻的情况下同时承载高电流、允许所监控的构件的持续的不可逆的跨接并且可以成本有利地制造。
发明内容
该任务借助根据权利要求1的电跨接装置来解决。该跨接装置的有利构型是从属权利的主题，或者可以从以下描述和实施例中得出。
所提出的电跨接装置具有至少两个彼此电绝缘的电导体，所述电导体在使用时例如被连接到待跨接的能量源或待跨接的能量消耗装置的两极上。这两个电导体如此布置，使得第一导体的在空间方向上定向的至少一个第一表面区域通过间隙与第二导体的在空间方向上定向的至少一个第二表面区域间隔开。
在此，表面区域在空间方向上的定向应理解为：从该空间方向，该表面区域可以被识别为平面区。借此主要应阐明，所述两个表面区域既不彼此相对地定向，也不彼此成直角。在此，第一表面区域和第二表面区域分别覆盖有由能够导电的材料构成的层，该能够导电的材料具有比电导体的材料更低的熔点。优选地，在此涉及一种金属焊料材料。但是原则上，其他材料、例如导电聚合物材料也是可能的。
在所提出的跨接装置的情况下，间隙宽度和能够导电的层如此选择，使得通过熔化两个层来跨接该间隙。在由能够导电的材料构成的两个层上方布置有由反应性材料构成的层(在本专利申请中也称为反应层)，在该由反应性材料构成的层中可以触发放热反应。在此，术语“层”也可以理解为由不同层材料构成的连续层序列或层堆叠。反应层如此确定尺寸并且布置，使得由能够导电的材料构成的两个层通过在反应层的放热反应时释放的热能而在间隙处熔化，并且由此在电导体之间建立电连接。
因此，为了电跨接，仅须适当地触发反应层中的放热反应。视反应性材料的类型而定，这例如可以通过电流流动、加热、火花效应、激光辐射或初始点火器(Initialzünder)实现。反应层的一个示例是反应性纳米膜、例如反应性镍/铝膜，例如由WO 01/83182 A1所已知的那样。这种纳米膜由例如具有1nm至500nm范围内的层厚度的大量纳米层组成，其中，通常由两种不同材料构成的层交替排列，这两种材料通过适当的能量输入放热地彼此反应。其他反应层、例如由纳米热氧化物(Nanothermit)或其他进行放热反应的材料构成的层也可以在所提出的跨接装置中使用。在此，反应层必须如此布置在两个表面区域上，使得该反应层在未触发的状态下不会在两个表面区域之间建立电接通。如果所述反应层是能够导电的，则该反应层必须相对于表面区域中的至少一个有一距离，或者通过适当的间距保持件与所述表面区域中的至少一个或两个表面区域电绝缘。
在一种优选构型中，反应层在此置于两个表面区域中的一个上，其中，另一表面区域在高度上相应地错位，以便维持相对于反应层的电绝缘距离。在将纳米膜用作反应层的情况下，则为此不需要进一步措施，因为该纳米膜已经足够刚性并且因此是自承载(selbsttragend)的。当然，反应层也可以固定在载体元件上，通过该载体元件维持相对于表面区域中的至少一个的距离，所述表面区域覆盖有能够导电的层。要么可以通过两个电导体的不同高度或厚度，要么可以通过由能够导电的材料构成的两个层的不同厚度，来实现两个表面区域的高度错位。
与相应应用适配地选择两个电导体之间的电绝缘以及表面区域中的至少一个相对于反应层(如果该反应层能够导电)的绝缘。在此，可以通过空气隙或通过在两个电导体之间使用绝缘材料来确保两个电导体之间的绝缘。
借助所提出的跨接装置，可以通过触发放热反应将能量源(例如电池单元)或电消耗装置作为待跨接的构件低电阻性地电跨接。在此在触发状态下，在约1cm2的活性面积(反应层下面的面积)的情况下，可以实现小于20μΩ的电阻。在未触发的状态下，跨接装置可以具有大于40MΩ的电阻。因此，所提出的跨接装置还能够允许流过高电流——例如在一开始所提及的应用中可能出现的那样，并且由于简单的构造也可以成本有利地实现。
可以通过在两个表面区域之间提供尽可能长的边界线来调节触发状态下的低电阻，所述两个表面区域通过能够导电的层材料在触发状态下跨接。这特别有利地通过电导体在该区域内的适当结构化来实现，其中，两个导体相互抓接(greifen)。由此例如在指形相互抓接的情况下，可以在小空间内实现蜿蜒形、之字形或锯齿形的边界线。如下构型也是可能的：两个电导体不是在平行于两个表面区域的方向上而是在垂直于所述表面区域的方向上相互抓接。为此，两个导体重叠，其中，下部导体(第二电导体)具有一个或多个凸起，并且上部导体(第一电导体)具有用于嵌接(eingreifen)所述凸起的一个或多个对应的开口。所述开口贯通地延伸直至上部导体的第一表面区域，其中，然后通过下部导体的凸起上的平台(Plateous)形成一个或多个第二表面区域。此外，这种构型具有高机械稳定性的优点。此外，在这种构型的一种变型方案中(其中，所述一个或多个第二表面区域低于第一表面区域)，第一表面区域完全与反应层接触，该反应层由此也保护第一表面区域与第二表面区域之间的间隙免受不期望的材料侵入。
在所提出的跨接装置的一种有利的扩展方案中，通过挤压元件将反应层压抵在两个表面区域中较上面的表面区域上。该挤压元件可以由导电材料构成、例如金属(例如铜或铝)，或也可以由电绝缘的材料(例如塑料)构成。在此，反应层可以是松的(lose)，或也可以施加在该挤压元件的下侧上。将弹性元件、优选弹簧元件用作挤压元件，该弹性元件张紧在挤压元件与载体结构之间、尤其挤压元件与跨接装置的壳体之间。在此，该壳体或载体结构与两个电导体固定连接。
在另一有利的构型中，在挤压元件与反应层之间构造有一个另外的层，该另外的层由能够导电的材料、尤其焊料材料构成，所述另外的层同样通过所触发的放热反应而熔化并且对两个电导体之间的电连接作出贡献。优选地，挤压元件在这种情况下也由导电材料、例如金属构成。在此，挤压元件优选完全覆盖反应层，以便将该反应层均匀地按压到第一表面区域上。通过能够导电的挤压元件附加地降低在连接两个电导体情况下的电阻。
例如可以通过流过反应层的电流来热学地(thermisch)实现放热反应的触发。因此，例如可以通过一个或多个接触引脚来接通反应层，以便施加电压。也可以通过适当的结构化在反应层中产生收缩部，在该收缩部处，在电流流动情况下由于增大的电阻而实现相应的发热。也可以光学地、例如通过光脉冲或激光脉冲激活或触发反应层。在另一构型中可以使用例如反应线形式的初始点火器，该反应线被布置成与反应层接触或至少布置在反应层附近。这种反应线同样由反应性材料、例如由铝和钯构成的层序列构成，并且例如可以通过电流流动来热触发。这种反应线也能够从市场上获得，例如名称为
也可以通过电火花来触发反应层。显然，这不是穷举的。
在所提出的跨接装置的情况下，两个电导体例如可以焊接在DCB(Direct CopperBond：直接铜键合)衬底上。这种衬底确保跨接装置的高机械稳定性。
借助所提出的跨接装置提供具有低电阻的能够不可逆地激活的电连接。因此，可以跨接电流路径中的故障构件，并且因此确保整个系统的功能。例如跨接损坏的构件、尤其能量存储器或电消耗装置。另一示例是通过触发关闭分离器(Shut-Down-Separator)以10kA范围内的短时短路电流来禁用能量存储器、例如锂电池单元。
附图说明
以下根据两个实施例再次进一步阐述所提出的跨接装置。在此示出：
图1以局部分解图示出根据本发明的跨接装置的第一示例；
图2以完整分解图示出图1的示例；
图3以局部分解图示出根据本发明的跨接装置的第二示例；
图4以完整分解图示出图3的示例。
具体实施方式
图1示出所提出的跨接装置的构型的第一示例。该跨接装置由两个彼此绝缘的电极1、2构成。所述电极如此结构化，使得在所述电极的在上侧上彼此邻接的表面区域之间产生尽可能长的边界线。在当前情况下，这通过两个电极1、2的相互抓接的指结构实现。在两个电极之间存在电绝缘材料，该电绝缘材料在图中未示出并且起到间距保持件的作用。焊料层3、4分别处于两个电极1、2的彼此邻接的表面区域上。在此，第二电极2的焊料层4比第一电极1的焊料层3更薄地构造。由此产生高度差，使得在当前示例中，布置在第一电极1的焊料层3上的反应层6不接触第二电极2的焊料层4。因此，通过例如反应性纳米膜形式的反应层6与第二焊料层4之间的空气隙来维持两个电极1、2之间的绝缘。通过挤压元件7将反应层6压到第一电极1的第一焊料层3上，在当前示例中，该挤压元件在下侧上涂覆有另一焊料层5。弹簧元件8提供所需的压力，该弹簧元件在跨接装置的壳体9中张紧在挤压元件7与壳体9之间。在当前示例中，壳体9借助螺钉10拧紧到两个电极1、2上并且由电绝缘材料构成。
在激活跨接装置的情况下，焊料层3、4、5通过来自进行放热反应的反应层6的热量熔化并且由此彼此连接。这随后建立两个电极1、2之间的电连接。在当前示例中，通过反应层6中的电流流动来触发反应层6的放热反应。为此，通过接通引脚11电接通反应层，该接通引脚通过挤压元件7中的开口到达反应层6。因为反应层6与第一焊料层3接通并且因此与第一电极1接通，所以可以通过接通引脚11和第一电极1将电压施加到反应层6上，以便产生用于触发放热反应所需的流过反应层6的电流。
图2以完整分解图再次示出该示例性的跨接装置，其中，两个电极1、2分离地示出。
图3示出所提出的跨接装置的另一示例。在该示例的情况下，对于与图1和图2中的跨接装置相同的元件使用相同的附图标记。该构型的不同之处在于两个电极1、2的结构以及所述电极的彼此邻接的表面区域。在该示例中，两个电极1、2如此构造，使得它们部分重叠。在该重叠区域内，两个电极中的下部电极具有两个板条12，所述板条嵌接到两个电极中的上部电极的贯通开口中。在组装的状态下，这两个板条12的上平台低于上部电极的表面，如在图3中可看出的那样。这些彼此邻接的表面区域相应地支承两个焊料层3和4并且由反应层6所覆盖。因为板条12的平台低于上部电极的表面，所以在此再次产生相对于反应层6的电绝缘间隙。在该示例中，通过挤压元件7将反应层6压抵到上面的焊料层3上。这以与图1和图2中相同的方式并且借助相同的部件实现。两个电极1、2的绝缘在一侧上通过电绝缘层13实现，这在图4的完整分解图中能够看出。在开口内部，下部电极2的板条12与上部电极1的开口的壁区域之间的绝缘通过相应的空气隙或绝缘材料实现。在该示例中，用于固定壳体9的两个螺钉10必须是电绝缘的或由电绝缘材料构成。
以与已经结合图1所阐述的相同的方式实现反应层6的激活并且实现由此引起的两个电极1、2之间的电连接。
附图标记列表
1 第一电极
2 第二电极
3 第一焊料层
4 第二焊料层
5 挤压元件的下侧上的焊料层
6 反应层
7 挤压元件
8 弹簧元件
9 壳体
10 连接螺钉
11 接通引脚
12 板条
13 绝缘层
Claims (16)
1.一种电跨接装置，
其具有至少一个第一电导体(1)和至少一个第二电导体(2)，所述至少一个第一电导体和至少一个第二电导体彼此电绝缘并且如此布置，使得所述第一电导体(1)的在一空间方向上定向的至少一个第一表面区域通过间隙与所述第二电导体(2)的在相同的空间方向上定向的至少一个第二表面区域间隔开，
所述第一表面区域和所述第二表面区域分别覆盖有由能够导电的材料构成的层(3，4)，所述材料具有比所述电导体(1，2)更低的熔点，
在由能够导电的材料构成的两个层(3，4)上方布置有反应层(6)，在所述反应层中能够触发放热反应，其中，所述反应层(6)如此布置在所述第一表面区域与所述第二表面区域上方，使得所述反应层(6)在未触发的状态下不会在所述第一表面区域与所述第二表面区域之间建立电连接，
其中，所述两个表面区域之间的间隙如此选择，并且所述反应层(6)如此确定尺寸和布置，使得所述由能够导电的材料构成的两个层(3，4)通过在所述反应层(6)的放热反应时释放的热能在所述间隙处熔化，并且由此在所述电导体(1，2)之间建立电连接。
2.根据权利要求1所述的跨接装置，其特征在于，所述第一表面区域相对于所述第二表面区域在高度上错位地布置。
3.根据权利要求1所述的跨接装置，其特征在于，所述由能够导电的材料构成的两个层(3，4)具有不同的厚度。
4.根据权利要求2所述的跨接装置，其特征在于，所述反应层(6)置于由能够导电的材料构成的两个层(3，4)中的以下一个层上：所述两个层(3，4)中的所述一个层构造在所述两个表面区域中的较高的表面区域上并且相对于所述两个层(3，4)中的另一层具有距离。
5.根据权利要求3所述的跨接装置，其特征在于，所述反应层(6)置于所述由能够导电的材料构成的两个层(3，4)中的较厚的层上，并且相对于所述两个层(3，4)中的另一层具有距离。
6.根据权利要求4或5所述的跨接装置，其特征在于，在所述反应层(6)上布置有挤压元件(7)，通过所述挤压元件将所述反应层(6)借助弹性元件(8)、尤其弹簧元件压抵到由能够导电的材料构成的相应的层(3，4)上。
7.根据权利要求6所述的跨接装置，其特征在于，在所述挤压元件(7)与所述反应层(6)之间布置有由所述能够导电的材料构成的一个另外的层(5)。
8.根据权利要求7所述的跨接装置，其特征在于，所述挤压元件(7)由导电材料构成。
9.根据权利要求6所述的跨接装置，其特征在于，遮盖装置(9)与所述挤压元件(7)被布置在所述反应层(6)上方，并且所述遮盖装置与所述第一电导体和所述第二电导体(1，2)固定连接，其中，所述弹性元件(8)张紧在所述遮盖装置(9)与所述挤压元件(7)之间。
10.根据权利要求6所述的跨接装置，其特征在于，所述挤压元件(7)完全覆盖所述反应层(6)。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的跨接装置，其特征在于，所述能够导电的材料是焊料。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的跨接装置，其特征在于，所述第一电导体与所述第二电导体(1，2)在所述第一表面区域的和所述第二表面区域的范围内相互抓接。
13.根据权利要求12所述的跨接装置，其特征在于，所述第一电导体与所述第二电导体(1，2)在所述第一表面区域的和所述第二表面区域的范围内在平行于所述第一表面区域和所述第二表面区域的方向上指状地相互抓接。
14.根据权利要求12所述的跨接装置，其特征在于，所述第一电导体和所述第二电导体(1，2)在所述第一表面区域的和所述第二表面区域的范围内在垂直于所述第一表面区域和所述第二表面区域的方向上相互抓接。
15.根据权利要求14所述的跨接装置，其特征在于，所述第一电导体(1)在所述第一表面区域内具有至少一个贯通的开口，所述第二电导体(2)的凸起区域(12)从所述第一电导体(1)的与所述第一表面区域相对置的一侧嵌接到所述至少一个贯通的开口中，其中，所述凸起区域(12)具有平台，所述平台相应于所述第二表面区域。
16.根据权利要求1至5中任一项所述的跨接装置，其特征在于，除了所述第一电导体和所述第二电导体(1，2)以外，一个或多个其他电导体以相同的方式布置，并且覆盖有由能够导电的材料构成的层(3，4)，使得通过在所述反应层(6)的放热反应时释放的热能也建立与所述一个或多个其他电导体(1，2)的电连接。
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