DE102007031558A1

DE102007031558A1 - Akkumulator und Akkupack

Info

Publication number: DE102007031558A1
Application number: DE102007031558A
Authority: DE
Inventors: Thomas Heinrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2009-01-08
Also published as: US8012618B2; US20090011324A1

Abstract

Bekannte Akkumulatoren enthalten eine Zelle, die in einem Zellbecher aufgenommen ist. Zur Temperaturüberwachung der Akkumulatoren werden PTC-Elemente verwendet, die jedoch den Bauraum erhöhen und in einem Akkupack nur aufwändig untergebracht werden können. Zur einfachen Unterbringung weist ein Akkumulator eine Zelle (1) auf, die in einem Zellbecher (2) aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist zur Temperaturüberwachung der Zelle (1) ein temperaturabhängiges Element, insbesondere PTC-Element (20), vorgesehen, das den Zellbecher (2) zumindest teilweise umschließt. Die Erfindung ist insbesondere für Akkupacks vorgesehen, bei denen die Notwendigkeit einer Temperaturüberwachung gegeben ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Akkumulator enthaltend eine Zelle, die in einem Zellbecher aufgenommen ist bzw. einen Akkupack enthaltend wenigstens einen einzigen Akkumulator.
Akkumulatoren bzw. Akkupacks werden entladen und geladen, wofür für letzteres ein Ladegerät vorzusehen ist. Dabei ist es wichtig, neben dem Ladevorgang insbesondere während des Entladevorgangs die Temperatur der Akkumulatoren zu überwachen, um einen zu hohen Temperaturanstieg bzw. eine Übertemperatur während des Entladevorgangs zu verhindern. Hierzu werden Kaltleiter, sogenannte PTC-Elemente verwendet, die mit zunehmender Temperatur ihren Widerstand erhöhen. Bei niedrigen Temperaturen ist der Widerstand klein bzw. es erfolgt eine gute Leitung des Stroms. Das PTC-Element wird dabei in Reihe zu den anderen Akkumulatoren des Akkupacks geschaltet. Die Unterbringung des PTC-Elements am Akkumulator selbst bzw. im Akkupack ist aufgrund der bei Akkupacks vorliegenden engen Bauverhältnisse oftmals schwierig zu gestalten. Des Weiteren ist eine aufwändige Verkabelung notwendig, um das PTC-Element an den Akkumulator bzw. Zelle anzuschließen.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Akkumulator bzw. Akkupack hat demgegenüber den Vorteil, dass das temperaturabhängige Element, insbesondere das PTC-Element, einfach und platzsparend, ohne aufwändige Verkabelung oder Isolierung oder mechanische Haltung, direkt am Akkumulator bzw. dessen Zelle anbringbar und mit den anderen Akkumulatoren verbindbar ist. Sehr vorteilhaft ist dabei, dass im Wesentlichen kein zusätzlicher Bauraum für das temperaturabhängige Element am Akkumulator bzw. innerhalb des Gehäuses des Akkupacks erforderlich ist. Darüber hinaus erfolgt eine hervorragende thermische Kopplung des temperaturabhängigen Elements an den Akkumulator bzw. Zelle, wobei das verbrauchte Volumen für das temperaturabhängige Element äußerst gering ist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, eine Bewerkstellung einer Temperaturüberwachung der Akkumulatoren im Akkupack durch einfachen Austausch eines herkömmlichen Akkumulators durch den erfindungsgemäßen Akkumulator, ohne hierzu ein Gehäuse des Akkupacks baulich verändern zu müssen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Vorteilhaft ist, zur guten wärmeleitenden Kopplung von temperaturabhängigem Element an den Zellbecher, dass das temperaturabhängige Element den Zellbecher des Akkumulator in beliebiger Weise, vorzugsweise in etwa hälftig, umschließt. Ebenso ist es auch möglich, dass das temperaturabhängige Element den Zellbecher vollständig in Form einer Hülse umschließt.
In vorteilhafter Weise lässt sich eine einfache Ladetemperaturüberwachung sowie Entladetemperaturüberwachung des Akkumulators bewerkstelligen, indem das temperaturabhängige Element an den Zellbecher elektrisch angebunden ist, wofür eine Reihenschaltung von temperaturabhängigem Element und Zelle erfolgt.
Vorteilhaft ist, zur kompakten Herstellung der elektrischen Verbindung von temperaturabhängigem Element und Zellbecher bzw. Zelle, ohne aufwändige Verkabelung, eine erste metallische Schicht des temperaturabhängigen Elements mit dem Zellbecher zu verlöten und/oder zu verschweißen und/oder zu verkleben, wobei sich an die erste metallische Schicht eine Zwischenschicht mit den temperaturabhängigen Eigenschaften, insbesondere Kaltleiter-Eigenschaften, anschließt, die von einer zweiten metallischen Schicht des temperaturabhängigen Elements abgedeckt ist.
Eine vorteilhafte kompakte Bauweise ergibt sich, wenn zu Isolationszwecken zwischen der ersten metallischen Schicht und der zweiten metallischen Schicht des temperaturabhängigen Elements zumindest teilweise eine Isolationsschicht vorgesehen ist.
Vorteilhaft ist außerdem, zu Isolationszwecken zwischen der zweiten metallischen Schicht und dem Zellbecher eine Isolationsschicht vorzusehen. Dies ermöglicht sehr einfach, über einen an die zweite Schicht anliegenden Zellverbinder eine elektrische Verbindung mit den anderen Akkumulatoren eines Akkupacks herzustellen.
Von Vorteil ist, die Isolationsschicht zur einfachen Herstellung aus einer Folie auszubilden.
In vorteilhafter Weise ergibt sich ein einfacher, sicherer und zuverlässiger Anschluss des erfindungsgemäßen Akkumulators an wenigstens einen weiteren, herkömmlichen Akkumulator des Akkupacks durch Vorsehen eines Zellverbinders, der eine abgewinkelte Form aufweist. Dies ermöglicht die unveränderte Beibehaltung von Bauräumen für die Akkumulatoren im Akkupack. Somit ist es in sehr vorteilhafter Weise möglich, durch einfachen Austausch eines einzigen herkömmlichen Akkumulators durch den erfindungsgemäßen Akkumulator eine Temperaturüberwachung für den Akkupack bereitzustellen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht.
Es zeigen:
1 zur Verdeutlichung der einzelnen Schichten des PTC-Elements eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Akkumulators mit PTC-Element,
2 einen nicht maßstabsgetreuen Querschnitt durch den Akkumulator mit PTC-Element gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
3 einen nicht maßstabsgetreuen Querschnitt durch den Akkumulator mit PTC-Element gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
4 in nicht maßstabsgetreuer Schnittdarstellung eine Seitenansicht des Akkumulators mit PTC-Element, ausgebildet gemäß erstem oder zweitem Ausführungsbeispiel,
5 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Akkumulators mit PTC-Element in verbautem Zustand, der über einen Zellverbinder an einen zweiten Akkumulator ohne PTC-Element angeschlossen ist,
6 in perspektivischer Darstellung den erfindungsgemäßen Akkupack mit verbautem einzigen Akkumulator gemäß 2 oder 3.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Akkumulator, auch Akku oder Sekundärzelle genannt, ist ein Speicher für elektrische Energie, meist auf Basis eines elektrochemischen Systems. Bekannte Systeme sind beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus oder auch Lithium-Polymer-Akkus, die eine galvanische, nach der Entladung wiederaufladbare Zelle enthalten. Zur Erreichung einer bestimmten Spannung werden diese Zellen zu einem Akkupack gepackt und zusammengeschaltet. Die einzelnen Zellen gehören dabei dem gleichen Typ an. Die gewünschte Spannung bzw. Nennspannung des Akkupacks ergibt sich aus der Summe der in Reihe geschalteten Zellen.
Ein jeder Akkumulator enthält eine in 1 schematisch gezeigte, galvanische Zelle 1, die in bekannter Weise von einem Zellbecher 2 umgeben ist. Die Zelle 1 hat eine längliche zylindrische Form mit einer Mantelfläche 3 und zwei Bodenseiten. Eine erste flache Bodenseite 4 bildet dabei üblicherweise den Minuspol. Eine gegenüberliegend der ersten Bodenseite 4 liegende zweite Bodenseite 5 weist ebenfalls eine flache Seite auf, die den Pluspol 6 der Zelle 1 bildet.
Zur Verbindung der einzelnen Zellen bzw. Hintereinanderschaltung derselben sind in 6 gezeigte Zellverbinder 24 zwischen dem Minuspol einer ersten Zelle 16 und dem anschließenden Pluspuls der nachfolgenden zweiten Zelle 16 vorgesehen.
Üblich sind Akkupakete bestehend aus mindestens ein bis zehn Zellen, je nach der gewünschten Spannung. Im Ausführungsbeispiel nach 6 sind vier Zellen 1, 16 zu einem Akkupack 17 zusammenschaltet, wie es zum Beispiel beim Einsatz für Elektrowerkzeuge üblich ist (Baugröße der Zellen beispielsweise Baby, Mono, AA, AAA, 4/5 Sub-C Zelle, Sub-C Zelle, 18650-Zelle, 26650-Zelle oder dergleichen).
Zur Temperaturüberwachung ist es üblich, zumindest eine der Zellen 1 mit einem temperaturempfindlichen Element 20 auszustatten. Mittels dieses Elements 20 kann dann eine Abschaltung bei Entladung und/oder Ladung erfolgen. Es erfolgt ein „hartes" Abschalten des Stroms, wenn es sich bei dem temperaturempfindlichen Element 20 um einen PTC-Widerstand handelt. Bei dem PTC-Widerstand bzw. PTC-Element (positive Temperature Coefficient) handelt es sich um einen sogenannten Kaltleiter. Derartige Kaltleiter bestehen aus einem den elektrischen Strom leitenden Material, welches bei tieferen Temperaturen den Strom besser leitet als bei hohen. Ihr elektrischer Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur. Diese besondere Art von Widerständen besitzt somit einen positiven Temperaturkoeffizienten. Derartige PTC-Widerstände haben einen steilen Anstieg des Widerstandes und eignen sich daher im Allgemeinen nicht zur Regelung von Strom und Spannung. Der PTC-Widerstand ist daher zur Abschaltung bei Entladung und Ladung der Akkus bzw. Zellen vorgesehen.
In jedem Akku bzw. Akkupack kann zusätzlich ein NTC-Widerstand verbaut sein. Der Widerstandswert wird vom Ladegerät ausgelesen. Bei dem NTC-Widerstand handelt es sich um einen Heißleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten (negative Temperature Coefficient). Ihr elektrischer Widerstand verkleinert sich bei steigender Temperatur.
Unter Akkupack 17 wird hierbei in herkömmlicher Weise eine Anzahl von Akkumulatoren verstanden, die in einem gemeinsamen Gehäuse 21 eventuell noch mit weiteren Schaltgliedern zusammen angeordnet sind. Über eine Steckleiste bzw. mehrere Kontaktelemente 22 am Gehäuse 21 des Akkupacks 17 erfolgt dann der Anschluss des Akkupacks 17. Um derartige Akkumulatoren insbesondere vor zu starker Entladung und Überladung zu schützen, ist es bekannt, im Akkupack 17 das temperaturabhängige Element 20 in unmittelbarer Nähe bzw. direktem Kontakt zu einem Akkumulator 1 anzuordnen, wobei die Kennlinie des temperaturabhängigen Elements 20 dann während der Entladung bzw. Aufladung überwacht bzw. gemessen wird, um so eine unzulässige Erwärmung der Akkumulatoren 1, 16 zu vermeiden.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, zur Temperaturüberwachung insbesondere beim Entladevorgang der Zelle 1 diese ohne wesentliche Veränderung der Baugröße mit dem temperaturabhängigen Element 20 auszustatten. Es ist vorgesehen, das temperaturabhängige Element in Form eines PTC-Elements 20 auszubilden, das, wie die 1 bis 4 zeigen, den Zellbecher 2 beliebig, zumindest teilweise direkt umgibt bzw. direkt umschließt. Zwischen Zelle 1 und PTC 20 wird dabei eine Reihenschaltung verwirklicht. Bei Erwärmung der Zelle 1 vergrößert sich der Widerstand, so dass beispielsweise der Entnahmestrom gesteuert verringert wird, um so eine Übertemperatur der Zelle 1 vermeiden zu können.
Ein PTC besteht normalerweise aus zwei metallischen Platten, zwischen denen eine Schicht Kunststoff mit den speziellen Eigenschaften des PTC liegt. Die übliche Ausführung ist eine flache Bauform. Erfindungsgemäß wird von dieser Bauform nun abgewichen und eine runde oder halbrunde Form des PTC-Elements 20 vorgesehen, der, wie die 1 schematisch andeutet, den Zellbecher 2 zumindest teilweise umgibt. Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit die Zelle 1 bzw. den Zellbecher 2 umfangsmäßig vollständig umschließenden PTC-Element (360 Grad). Das PTC-Element 20 bildet somit eine Hülle für den Zellbecher 2. Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit nur den Zellbecher 2 teilweise umschließenden PTC-Element 20, wobei etwa 180 Grad Umschließung (halbrund) verwirklicht worden sind. Denkbar wäre auch eine etwas geringere Umschließung von weniger als 180 Grad, beispielsweise 100 Grad. Zu gering darf der Grad der Umschließung aber nicht sein, da ansonsten eine gute thermische Kopplung von PTC-Element 20 und Zellbecher 2 zur Temperaturüberwachung gefährdet wäre. Außerdem ist zu beachten, dass mit zunehmendem Stromfluss in der Zelle 1 auch die benötigte Fläche des PTC-Elements 20 größer sein muss.
Die Ausführung der einzelnen Schichten des PTC-Elements 20 erfolgt so, dass eine erste metallische Schicht 10 mittels Löten, oder Schweißen oder Verkleben oder etc. mit dem Zellbecher 2 bzw. der Mantelfläche 3 des Zellbechers 2 elektrisch verbunden ist. Denkbar ist selbstverständlich auch, eine Kombination dieser genannten Verfahren durchzuführen, wie Verkleben und Löten. Vorzugsweise ist vorgesehen, die erste Schicht 10 mit dem Zellbecher 2 bzw. der Mantelfläche 3 zu verschweißen.
Radial nach außen schließt sich an die erste Schicht 10 eine Zwischenschicht 11 aus Kunststoff an, welche die PTC- typischen Kaltleitereigenschaften besitzt und beispielsweise hierzu aus einem Polymermaterial besteht. Die Zwischenschicht 11 ist von einer zweiten Schicht 12 umgeben, die, wie die erste Schicht 10, aus Metall besteht. Die zweite metallische Schicht 12 bildet somit den neuen Minuspol der Zelle 1. Die erste Schicht 10, die Zwischenschicht 11 und zweite Schicht 12 bilden das temperaturabhängige elektrische Element 20 bzw. den PTC 20. Durch diesen Aufbau wird eine Serienschaltung von Zelle 1 und PTC 20 erreicht. In Längsrichtung der Zelle 1 erstreckt sich die erste Schicht 10 in die Nähe des Pluspols 6. Etwas kürzer und weiter entfernt vom Pluspol 6 folgt dann die Zwischenschicht 11, die im Wesentlichen ohne Versatz dann von der zweiten Schicht 12 überdeckt wird. Das PTC-Element 20 wird damit sehr gut thermisch an die Zelle 1 gekoppelt, wobei das verbrauchte Volumen des PTC-Elements 20 nur minimal ist. Insbesondere im Vergleich zu einer flachen Ausführung des PTC-Elements, das im Akkupack 17 dann zusätzlichen Bauraum benötigen würde. Die in den 1 bis 4 gezeigten Schichten 10, 11, 12 sind in Wirklichkeit sehr viel schmaler.
Die 4 zeigt eine genauere Ausführung der Zelle 1 mit dem PTC-Element 20 zur Verbindung mit anderen Zellen 16 ohne PTC-Element. Entsprechend zur 1 weist das PTC-Element 20 drei Schichten 10, 11, 12 auf. In Abwandlung zur 1 überdeckt die zweite Schicht 12 beabstandet zur ersten Bodenseite 4 nun neben der Mantelfläche 3 auch radial zumindest teilweise die erste Bodenseite 4 der Zelle 1, die den bisherigen Minuspol bildet. Diese zusätzliche Ausbildung der zweiten Schicht 12 ist in 4 mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet. Zur Isolation von bisherigem Minuspol zu dem vom PTC-Element 20 gebildeten neuen Minuspol 23 ist eine Isolationsschicht 14 vorgesehen. Die Isolationsschicht 14 kann zum Beispiel aus einer Folie bestehen und neben der radialen Überdeckung der ersten Bodenseite 4 auch etwas die Mantelfläche 3, in Längsrichtung der Zelle 1 gesehen, überdecken.
Wie in 6 dargestellt ist, verbinden übliche, flache und eben ausgeführte Zellverbinder 24 den Minuspol einer Zelle 16 mit dem Pluspol 6' der nächsten Zelle 16. Zur sicheren und guten elektrischen Verbindung der erfindungsgemäß mit dem PTC-Element 20 quasi überzogenen Zelle 1 an eine Zelle 16 ohne PTC-Element ist ein angepasster Zellverbinder 15 vorgesehen, der, wie insbesondere die 5 zeigt, eine abgewinkelte Form aufweist. Ein erster Schenkel 26 liegt dabei an der zweiten Schicht 12 in Längsrichtung an der Zelle 1 an, wohingegen der zweite Schenkel 27 an dem Pluspol bzw. Ansatz 6' der nächsten Zelle 16 anliegt. Die von der zweiten Schicht 12 überdeckte Isolationsschicht 14 ist in 6 angedeutet.
Zur Herstellung des Zellverbinders 15 kann ein üblicher flacher Zellverbinder 24 beispielsweise einfach abgebogen werden. Mittels des abgewinkelten Zellverbinders 15 ist es möglich, ohne bauliche Veränderung, den erfindungsgemäßen Akkumulator 1 in den Akkupack 17 einzubauen bzw. einzuschnappen, der aufgrund der über die erste Bodenseite 4 überlagerten Isolationsschicht 14 und der zweiten Schicht 23 etwas länger baut. Zur Kompensation der etwas längeren Baulänge entfällt dann der, in Längsrichtung der Zelle 1 gesehen, üblicherweise zwischen zwei oder mehr Aufnahmen 25 für die Zellen 1, 16 vorgesehene, flache Zellverbinder 24, der dann durch den abgewinkelten Zellverbinder 15 einfach ersetzt wird.

Claims

Akkumulator enthaltend eine Zelle, die in einem Zellbecher aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturüberwachung der Zelle (1) ein temperaturabhängiges Element, insbesondere PTC-Element (20), vorgesehen ist, das den Zellbecher (2) zumindest teilweise umschließt.
Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturabhängige Element (20) den Zellbecher (2) in beliebiger Weise, vorzugsweise in etwa hälftig, umschließt.
Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturabhängige Element (20) den Zellbecher (2) vollständig in Form einer Hülse umschließt.
Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturabhängige Element (20) an den Zellbecher (2) elektrisch angebunden ist, indem eine Reihenschaltung von temperaturabhängigem Element (20) und Zelle (1) erfolgt.
Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der elektrischen Verbindung von temperaturabhängigem Element (20) und Zellbecher (2) bzw. Zelle (1) eine erste metallische Schicht (10) des temperaturabhängigen Elements (20) mit dem Zellbecher (2) verlötet und/oder verschweißt und/oder verklebt ist, wobei sich an die erste metallische Schicht (10) eine Zwischenschicht (11) mit den temperaturabhängigen Eigenschaften, insbesondere Kaltleiter-Eigenschaften, anschließt, die von einer zweiten metallischen Schicht (12) des temperaturabhängigen Elements (20) abgedeckt ist.
Akkumulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu Isolationszwecken zwischen der ersten metallischen Schicht (10) und der zweiten metallischen Schicht (12) des temperaturabhängigen Elements (20) zumindest teilweise eine Isolationsschicht (14) vorgesehen ist.
Akkumulator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu Isolationszwecken zwischen der zweiten metallischen Schicht (12; 23) und dem Zellbecher (2) eine Isolationsschicht (14) vorgesehen ist.
Akkumulator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14) aus einer Folie besteht.
Akkupack enthaltend wenigstens einen einzigen Akkumulator (1) aufgebaut nach Anspruch 1.
Akkupack nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung des wenigstens einen Akkumulators (1) nach Anspruch 1 mit einem weiteren, herkömmlichen Akkumulator (16) des Akkupacks (17) ein Zellverbinder (15) vorgesehen ist, der eine abgewinkelte Form aufweist.