CN111479719B - 电化学蓄能模块和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学蓄能模块和一种具有这种蓄能模块的车辆。在此，至少一个蓄能电池和至少一个桥接装置电并联连接。所述桥接装置具有第一导电体和通过间隙与第一导电体间隔开距离的第二导电体，该第一导电体带有至少一个具有桥接部位横截面的桥接部位。所述桥接装置还具有用于在第一导电体与第二导电体之间建立第一局部电连接的桥接开关和设置在桥接部位的区域中的桥接材料。桥接部位横截面和/或桥接材料设计成，使得桥接材料由于桥接部位的加热而熔化并且在此在第一导电体与第二导电体之间建立第二局部电连接。桥接部位的加热由在建立第一局部电连接之后流动通过桥接部位横截面的电流引起。

Description

电化学蓄能模块和车辆
技术领域
本发明涉及一种电化学蓄能模块、尤其是锂离子电池和一种具有这种蓄能模块的车辆。
背景技术
由于便携式电子装置的日常使用和电动马达驱动的车辆的日益普及，存在对电化学蓄能器的需求，所述电化学蓄能器即使在持久运行中和/或在高功率输出的情况下也可靠地且安全地工作。已知包括多个并联或串联连接的电化学电池的蓄能器。为了在一个或多个电池失效之后也能够继续运行所述蓄能器，可以设置有电路、例如所谓的反向保险丝(反熔丝)，其在需要情况下桥接失效的电池。
发明内容
本发明的任务是，以简单的方式确保一个或多个电池的可靠桥接。
所述任务通过如下所述的一种电化学蓄能模块和一种车辆来解决。
按照本发明的电化学蓄能模块(该蓄能模块尤其是锂离子电池)具有至少一个电化学蓄能电池和至少一个桥接装置，该桥接装置与所述至少一个蓄能电池电并联连接。所述至少一个桥接装置具有第一导电体和通过间隙与第一导电体间隔开距离的第二导电体，该第一导电体带有至少一个具有桥接部位横截面的桥接部位。所述桥接装置还具有用于在第一导电体与第二导电体之间建立第一局部电连接的桥接开关和设置在所述至少一个桥接部位的区域中的桥接材料。在此，桥接部位横截面和/或桥接材料设计成，使得设置在所述至少一个桥接部位的区域中的桥接材料由于所述至少一个桥接部位的加热而熔化并且在此在第一导电体与第二导电体之间建立第二局部电连接。所述至少一个桥接部位的加热由在建立第一局部电连接之后流动通过桥接部位横截面的电流引起。所述第一导电体和/或第二导电体具有多个带有不同的桥接部位横截面的桥接部位，在所述桥接部位的区域中分别设置有桥接材料，其中，桥接部位横截面和/或在相应桥接部位的区域中的桥接材料设计成，使得在相应桥接部位的区域中的桥接材料由于相应桥接部位由电流引起的加热而熔化并且在此在第一导电体与第二导电体之间建立另一个局部电连接，该电流在第一导电体与第二导电体之间建立一个或多个局部电连接之后在具有最小桥接部位横截面的桥接部位的区域中流动通过相应的桥接部位横截面。
按照本发明的车辆、尤其是机动车具有按照本发明的电化学蓄能模块。
本发明的一个方面基于借助并联连接的桥接装置来桥接电化学蓄能模块的一个或多个蓄能电池的方案，其方式为：通过在第一导电体与通过间隙与第一导电体间隔开距离的第二导电体之间建立第一局部电连接而触发在第一导电体与第二导电体之间建立一个或多个另外的局部电连接。为此设置有桥接开关，例如反向保险丝(所谓的反熔丝)，该桥接开关在闭合的状态中建立第一局部电连接，使得电流在第一导电体与第二导电体之间流动，所述电流在所述至少一个桥接部位的区域中加热第一导电体并且由此使设置在桥接部位的区域中的桥接材料熔化。桥接材料和/或桥接部位横截面优选这样选择和/或成形和/或确定尺寸，使得桥接材料在建立第一电连接之后所预期的或所出现的电流流动的情况下熔化。熔化的桥接材料然后在桥接部位的区域中桥接第一导电体与第二导电体之间的间隙，例如其方式为：将第一导电体与第二导电体至少部分地润湿并且随后凝固，并且因此在第一导电体与第二导电体之间形成第二或另外的局部电连接。
通过建立第二局部电连接，第一导电体与第二导电体之间的接触电阻相对于在仅存在第一局部电连接时出现的接触电阻减小。由此总体上提高了通过第一和第二导体的电流流动，从而蓄能电池被可靠且有效地桥接。
如果蓄能模块的蓄能电池例如被加热到高于预先给定的运行温度阈值、例如50℃、优选60℃、尤其是70℃的温度，则桥接开关从打开状态变换成闭合状态。在此，桥接开关可以被主动操作或者自动闭合。接着流动通过第一导电体与第二导电体的电流通过欧姆电阻加热在桥接部位的区域中的第一导电体，所述欧姆电阻由桥接部位横截面限定，使得桥接材料熔化并且利用第二局部电连接将第一导电体与第二导电体导电地连接。由此，被第一导电体与第二导电体之间的电流流过的横截面积增大，从而第一导电体在桥接部位的区域中又冷却并且熔化的桥接材料又凝固。在此，第二电连接被固定。
总体上本发明能够以简单的方式实现一个或多个蓄能电池的可靠桥接。
在一种优选的实施形式中，第一导电体和/或第二导电体具有多个带有不同桥接部位横截面的桥接部位，在所述桥接部位的区域中分别设置有桥接材料。在此，桥接部位横截面和/或在相应桥接部位横截面的区域中的桥接材料设计成，使得在相应桥接部位横截面的区域中的桥接材料由于相应桥接部位由电流引起的加热而熔化并且在此在第一导电体与第二导电体之间建立另一个局部电连接，该电流在第一导电体与第二导电体之间建立一个或多个局部电连接之后在具有最小桥接部位横截面的桥接部位的区域中流动通过相应的桥接部位横截面。
不同的桥接部位横截面和/或设置在相应桥接部位的区域中的桥接材料优选以如下方式设计、尤其是彼此协调和/或设置，使得在一个桥接部位的区域中建立局部电连接之后，在具有更大的、尤其是下一个更大的桥接部位横截面的另一个桥接部位上的桥接材料由于通过之前建立的局部连接提高的电流流动而熔化并且建立另一个局部电连接。因此，在具有更小的、尤其是下一个更小的桥接部位横截面的桥接部位的区域中建立局部电连接是随后建立其它连接的前提。由此，能够实现级联式地建立局部电连接，因此通过第一导电体与第二导电体的电流流动进一步增大并且接触电阻进一步减小。
在此，流动通过第一或第二导电体的电流尤其是由如下桥接部位的桥接部位横截面限定，在所述桥接部位的区域中还未建立局部电连接并且所述桥接部位具有所有桥接部位的最小桥接部位横截面，在所述所有桥接部位的区域中还未建立局部电连接。因此，桥接部位横截面和/或设置在桥接部位的区域中的桥接材料设计成，使得由相应桥接部位横截面限定的电流流动足以引起加热，加热的结果是在相应桥接部位的区域中的桥接材料熔化。由此，当流动通过所属桥接部位横截面的电流未由另一个更小的桥接部位横截面限定时，在桥接部位处可靠地建立另一个局部电连接。
优选地，沿第一和/或第二导电体的桥接部位在考虑到其相应桥接部位横截面的情况下设置成，使得这些桥接部位横截面朝向桥接开关减小。由此可以避免，在其区域中还没有建立局部电连接的桥接部位被短路。由此该布置结构能够实现提高桥接装置的可靠性。
在另一种优选的实施形式中，桥接开关构造成双金属开关。在此，双金属开关优选固定在第一导电体或第二导电体上并且设计用于在温度升高时朝向第二导电体或第一导电体弯曲。如果双金属开关的温度达到或超过预先给定的温度阈值、例如50℃、优选60℃、尤其是70℃的蓄能电池的最大允许运行温度，则双金属开关接触第二或第一导电体。由此可以自动触发蓄能电池的桥接、尤其是级联式地建立其它局部电连接。
附加地，桥接开关可以具有加热电阻，该加热电阻设计用于操纵双金属开关。由此，例如可以由用于监控蓄能器的控制装置在需要时通过对加热电阻通电主动建立第一局部电连接。
在另一种优选的实施形式中，在桥接开关的区域中在第一导电体或第二导电体上设置有桥接材料并且该桥接材料设计成，使得桥接材料由于桥接开关和/或第一导电体和/或第二导电体的加热而熔化(所述加热由流动通过桥接开关和/或第一导电体和/或第二导电体的电流引起)并且在再次凝固时将桥接开关固定在第一或第二导电体上。由此可以可靠地避免在建立第一局部电连接之后、例如由于在通过建立第一和/或另外的局部电连接引起蓄能电池的温度下降时双金属开关的向回弯曲而无意地打开桥接开关。
在另一种优选的实施形式中，桥接材料是锡。由于锡的可成形性和大约232℃的熔化温度，锡特别好地适合于在桥接部位的区域中施加到第一导电体和/或第二导电体上，并且适合于通过由电流流动引起的加热熔化并且在各导电体之间建立另外的局部电连接。
在另一种优选的实施形式中，在第一导电体与第二导电体之间的间隙中设置有绝缘材料。在此，绝缘材料优选是电绝缘的和/或热绝缘的并且尤其是具有小的热膨胀系数。由此，间隙的间隙宽度即使在第一导电体和/或第二导电体的加热时、例如由于另外建立的电连接电流流动升高而引起的加热时也能够基本上保持恒定并且因此避免局部电连接的无意的分开。
在另一种优选的实施形式中，所述桥接开关设计用于，在达到或超过所述至少一个蓄能电池的预先给定的温度阈值、尤其是最大允许的运行温度时在第一导电体与第二导电体之间建立第一局部电连接。预先给定的温度阈值例如可以是50℃、优选60℃、尤其是70℃。由此，在所述至少一个蓄能电池的进一步温度升高导致蓄能电池、尤其是蓄能模块的损坏或至少损伤之前，可以可靠地建立第一局部电连接。
在另一种优选的实施形式中，所述蓄能模块具有控制装置，该控制装置设计用于，在达到或超过所述至少一个蓄能电池的预先给定的温度阈值时借助桥接开关建立第一局部电连接。优选地，所述控制装置具有温度传感器和/或功率传感器，所述温度传感器和/或功率传感器设计用于检测所述至少一个蓄能电池的温度或由所述至少一个蓄能电池输出的电功率。控制装置然后基于所检测到的温度或电功率、必要时也在考虑其它表征蓄能电池的运行状态的参数和/或传感器数据的情况下操纵桥接开关，以便触发建立多个局部电连接并且桥接蓄能模块中的蓄能电池。由此，桥接装置可以特别可靠地被激活。
替代地或附加地，控制装置设计用于，在探测到蓄能电池的内部短路时、在探测到碰撞时和/或在探测到异常的电压特性时借助桥接开关建立第一局部电连接。为此，控制装置优选具有相应的传感器和/或与安装在车辆或蓄能电池中的相应的传感器连接。由此尤其是可以避免蓄能电池和/或车辆的(可能进一步的)损坏。
所述控制装置也可以设计用于，在探测到电池故障时借助桥接开关建立第一局部电连接，通过所述电池故障限制优选超过30％的车辆的作用范围和/或有效功率。确定作用范围和/或有效功率的扰动能够可靠地用作指示存在蓄能电池故障、尤其是损坏的指示器。因此，可以避免错误地工作的、尤其是损坏的蓄能电池的运行。
在另一种优选的实施形式中，第一导电体具有第一导电体横截面和/或第二导电体具有第二导电体横截面。在此，所述至少一个桥接部位的桥接部位横截面小于第一导电体横截面和/或第二导电体横截面。所述至少一个桥接部位例如构造成第一和/或第二导电体的渐缩部。由此可以确保，通过基本上在桥接部位的区域中的电流流动进行第一和/或第二导电体的尤其是受控制的加热。
附图说明
本发明的其它特征、优点和应用可能性可以从以下结合附图的描述中得到，在附图中相同的附图标记始终被用于本发明的相同的或彼此相应的元件。至少部分示意性地示出：
图1示出具有桥接装置的蓄能模块的一种示例；以及
图2示出桥接开关的一种示例。
具体实施方式
图1示出蓄能模块1的一种示例，该蓄能模块具有多个蓄能电池和用于桥接蓄能电池2的桥接装置3。
桥接装置3与蓄能电池2电并联连接并且具有与蓄能电池2的负极连接的第一导电体4a和与蓄能电池2的正极连接的第二导电体4b。所述两个导电体4a、4b通过具有间隙宽度d的间隙5互相分隔开。桥接开关6设计用于越过间隙5在所述两个导电体4a、4b之间建立第一局部的、也就是说空间上受限制的导电连接。附加地，第一导电体4a具有第一桥接部位7a并且第二导电体4b具有第二桥接部位7b，在所述桥接部位的区域中在第一导电体4a或第二导电体4b上分别设有桥接材料8，通过所述桥接材料(如下面还更详细地描述的那样)能够在所述两个导电体4a、4b之间建立第二或第三局部导电连接。
各导电体4a、4b之间的间隙5的间隙宽度d足够大，以避免蓄能电池2的所施加的电压的击穿。间隙宽度d例如为大于0.5mm、优选大于1mm、尤其是大于2mm。为了确保所述两个导电体4a、4b间隔开和/或第一导电体4a与第二导电体4b电绝缘，在所述两个导电体4a、4b之间的间隙5中优选设置有由具有小的热膨胀系数的电绝缘材料制成的绝缘元件9。
如果桥接开关6闭合，则间隙5通过桥接开关6桥接并且因此在导电体4a和4b之间建立第一局部电连接。桥接开关6例如可以构造成可电切换的半导体开关，该半导体开关在存在桥接信号时能够实现在第一导电体4a与第二导电体4b之间的电流流动。替代地，桥接开关6可以构造成温度开关、尤其是双金属开关。优选地，这种双金属开关或双金属条以一端部固定在第一导电体4a或第二导电体4b上并且构造成，使得所述双金属开关或双金属条在被加热超过温度阈值时朝向第一导电体4a或第二导电体4b弯曲，从而在第一导电体4a与第二导电体4b之间建立电连接。
通过借助桥接开关6建立的第一局部电连接，电流流动通过所述两个导电体4a和4b以及因此也流动通过第一导电体4a在第一桥接部位7a的区域中的第一桥接部位横截面10a并且流动通过第二导电体4b在第二桥接部位7b的区域中的第二桥接部位横截面10b。
在此，第一桥接部位横截面10a设计成，使在建立第一局部电连接之后流动通过第一桥接部位横截面10a的电流引起第一导电体4a在第一桥接部位7a的区域中的加热，所述加热足够使设置在第一桥接部位7a的区域中的桥接材料8熔化。例如，第一桥接部位横截面10a可以与在闭合桥接开关6之后预期的电流流动相匹配，尤其是这样确定尺寸，使得电流流动引起足以熔化桥接材料8的加热。
替选地或附加地，设置在第一桥接部位7a的区域中的桥接材料8能够选择为和/或成形为和/或确定尺寸为，使得该桥接材料在所提及的第一导电体4a在第一桥接部位7a的区域中加热时熔化并且在所述部位上建立在所述两个导电体4a和4b之间的电连接。例如在第一桥接部位7a的区域中的桥接材料8能够具有匹配于所提及的加热的熔点和/或以层的形式设置在第一导电体4a上、尤其是设置间隙5中，其中，所述层的尺寸确定成，使得该层通过加热熔化。
在第一桥接部位7a的区域中熔化的桥接材料8例如由于桥接材料8的表面张力与第二导电体4b电接触，熔化的桥接材料8通过所述表面张力被拉入到间隙5中。由此，在第一桥接部位7a的区域中的桥接材料8形成(除了通过桥接开关6建立的第一局部电连接之外的)第二局部电连接。为了使第一导电体4a和第二导电体4b通过熔化的桥接材料8的接触变得容易和/或更可靠，间隙宽度d优选匹配于设置在桥接部位7a的区域中的桥接材料8的表面张力和/或匹配于设置在桥接部位的区域中的桥接材料的量。
因为在第一桥接部位7a的区域中的电流现在不再仅仅流动通过第一桥接部位横截面10a、而是通过第二局部电连接也流动至第二导电体4b，所以在第一桥接部位7a的区域中由电流流动引起的温度下降。由此，在第一桥接部位7a的区域中熔化的桥接材料8又凝固并且因此固定第二局部电连接。
通过建立尤其是在第一桥接部位7a的整个面上延伸的第二局部电连接，降低了第一导电体4a与第二导电体4b之间的接触电阻，使得能够以简单且可靠的方式实现蓄能电池2的低欧姆桥接，所述接触电阻首先基本上通过由桥接开关6建立的第一局部电连接来确定。
此外，第一导电体4a和第二导电体4b现在能够引导更高的电流。这可以被充分利用，其方式为：类似于第一桥接部位横截面10a或设置在第一桥接部位7a的区域中的桥接材料8，第二桥接部位横截面10b或设置在第二桥接部位7b的区域中的桥接材料8以如下方式设计，即当在第二桥接部位7b的区域中的第二导电体4b加热时，设置在第二桥接部位7b的区域中的桥接材料8熔化。第二导电体4b的加热在此通过在建立第二局部电连接之后流动通过第二桥接部位横截面10b的电流引起。
第二桥接部位横截面10b或设置在第二桥接部位7b的区域中的桥接材料8尤其是设计成，使得设置在第二桥接部位7b的区域中的桥接材料8在仅仅建立第一局部电连接之后由于通过第二桥接部位横截面10b的电流流动而在第二桥接部位7b的区域中加热第二导电体4b时不熔化。为此目的，例如第二桥接部位横截面10b构造成大于第一桥接部位横截面10a。
由此能够实现设置在桥接部位7a、7b的区域中的桥接材料8的级联式熔化，也就是说，首先位于具有小横截面的第一桥接部位7a处的桥接材料8熔化并且然后位于具有较大横截面的第二桥接部位7b处的桥接材料8熔化，由此，同样级联式地建立导电体4a、4b之间的局部电连接。在此，利用每个附加地建立的局部电连接进一步降低了导电体4a、4b之间的接触电阻。
与此相应地，可以超越在图1中所示的示例设置具有进一步升高的桥接部位横截面的其它桥接部位和分别设置在这些桥接部位的区域中的桥接材料，所述其它桥接部位和桥接材料允许继续进行示例地描述的级联。
图2示出桥接开关6的一种示例，该桥接开关设计用于在闭合状态下将第一导电体4a与第二导电体4b电连接。桥接开关6可以优选在图1中所示的桥接装置3中使用。
在所示的示例中，桥接开关6构造成双金属开关，该双金属开关由两个由具有不同热膨胀系数的不同材料6a、6b制成的条组成并且因此在温度变化时弯曲。
在本示例中，桥接开关6以第一端部优选持久地安装在第一导电体4a上并且相对于第二导电体4b这样设置，使得自由的第二端部在蓄能电池的常规运行温度(参见图1)的情况下(例如高达50℃)不接触第二导电体4b(未示出)。优选地，桥接开关6在所述温度范围内基本上是平的或直线的或仅稍微弯曲。
然而，如果蓄能电池的温度例如由于运行故障而上升超过正常的运行温度，当蓄能电池的温度达到或超过预先给定的温度阈值时，在所述温度阈值时例如即将发生蓄能电池的破坏或损坏，则桥接开关6朝向第二导电体4b的方向弯曲，使得其自由端部将处于第二导电体4b上并且电接触该第二导电体。
通过以这种方式建立的在第一导电体4a和第二导电体4b之间的第一局部电连接，电流能够在导电体4a、4b之间流动，使得能够桥接与第一导电体4a与第二导电体4b电并联连接的电池。
为了稳定第一局部电连接，可以在桥接开关6的区域中、尤其是在第二导电体4b上优选设置有桥接材料8，该桥接材料设计用于通过在建立第一局部电连接之后通过电流流动引起的第二导电体4b在桥接开关6的区域中的加热而熔化。以这种方式熔化的桥接材料8接下来与桥接开关6的还自由的端部电接触并且因此降低了在桥接开关6和第二导电体4b之间的接触电阻。由此，在桥接开关6的区域中由电流流动引起的温度又下降，使得熔化的桥接材料8再次凝固并且在此能够将桥接开关6的直至该时刻自由的端部持久地固定在第二导电体4b上。
附图标记列表
1 蓄能模块
2 蓄能电池
3 桥接装置
4a 第一导电体
4b 第二导电体
5 间隙
6 桥接开关
6a、6b 桥接开关的材料
7a 第一桥接部位
7b 第二桥接部位
8 桥接材料
9 绝缘元件
10a 第一桥接部位横截面
10b 第二桥接部位横截面

Claims (11)

1.电化学蓄能模块(1)，所述电化学蓄能模块具有至少一个蓄能电池(2)和至少一个桥接装置(3)，所述至少一个桥接装置与所述至少一个蓄能电池(2)电并联连接，其中，所述至少一个桥接装置(3)具有：
——带有至少一个桥接部位的第一导电体(4a)，所述桥接部位具有桥接部位横截面；
——与所述第一导电体(4a)通过间隙(5)间隔开距离的第二导电体(4b)；
——用于在第一导电体(4a)与第二导电体(4b)之间建立第一局部电连接的桥接开关(6)；以及
——设置在桥接部位的区域中的桥接材料(8)，
其中，所述桥接部位横截面和/或桥接材料(8)设计成，使得桥接材料(8)由于由在建立第一局部电连接之后流动通过桥接部位横截面的电流引起的桥接部位的加热而熔化并且在此在所述第一导电体(4a)与第二导电体(4b)之间建立第二局部电连接，并且
所述第一导电体(4a)和/或第二导电体(4b)具有多个带有不同的桥接部位横截面(10a、10b)的桥接部位(7a、7b)，在所述桥接部位的区域中分别设置有桥接材料(8)，其中，桥接部位横截面(10a、10b)和/或在相应桥接部位(7a、7b)的区域中的桥接材料(8)设计成，使得在相应桥接部位(7a、7b)的区域中的桥接材料(8)由于相应桥接部位(7a、7b)由电流引起的加热而熔化并且在此在第一导电体(4a)与第二导电体(4b)之间建立另一个局部电连接，该电流在第一导电体(4a)与第二导电体(4b)之间建立一个或多个局部电连接之后在具有最小桥接部位横截面(10a、10b)的桥接部位(7a、7b)的区域中流动通过相应的桥接部位横截面(10a、10b)。
2.根据权利要求1所述的电化学蓄能模块(1)，其中，所述桥接开关(6)构造成双金属开关。
3.根据权利要求1或2所述的电化学蓄能模块(1)，其中，在桥接开关(6)的区域中在第一导电体(4a)或第二导电体(4b)上设置有桥接材料(8)并且该桥接材料设计成，使得该桥接材料由于桥接开关(6)和/或第一导电体(4a)和/或第二导电体(4b)的加热而熔化并且在再次凝固时将桥接开关(6)固定在第一导电体(4a)或第二导电体(4b)上，该加热由流动通过桥接开关(6)和/或第一导电体(4a)和/或第二导电体(4b)的电流引起。
4.根据权利要求1或2所述的电化学蓄能模块(1)，其中，所述桥接材料(8)是锡。
5.根据权利要求1或2所述的电化学蓄能模块(1)，其中，在第一导电体(4a)与第二导电体(4b)之间的间隙(5)中设置有绝缘材料(9)。
6.根据权利要求1或2所述的电化学蓄能模块(1)，其中，所述桥接开关(6)设计用于，在达到或超过所述至少一个蓄能电池(2)的预先给定的温度阈值时，在第一导电体(4a)与第二导电体(4b)之间建立第一局部电连接。
7.根据权利要求6所述的电化学蓄能模块(1)，其具有控制装置，该控制装置设计用于，在达到或超过所述至少一个蓄能电池(2)的预先给定的温度阈值时借助桥接开关(6)建立第一局部电连接。
8.根据权利要求1或2所述的电化学蓄能模块(1)，其中，所述第一导电体(4a)具有第一导电体横截面和/或所述第二导电体(4b)具有第二导电体横截面，并且所述至少一个桥接部位(7a、7b)的桥接部位横截面(10a、10b)小于所述第一导电体横截面和/或所述第二导电体横截面。
9.根据权利要求1或2所述的电化学蓄能模块(1)，其中，所述电化学蓄能模块(1)是锂离子电池。
10.车辆，其具有根据权利要求1至9中任一项所述的电化学蓄能模块(1)。
11.根据权利要求10所述的车辆，其特征在于，所述车辆是机动车。
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