DE102009005228A1

DE102009005228A1 - Schutzeinrichtung für galvanische Zellen

Info

Publication number: DE102009005228A1
Application number: DE102009005228A
Authority: DE
Inventors: Tim Schäfer
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-07-22
Also published as: WO2010083945A1; EP2389700A1; BRPI1006930A2; KR20110129870A; JP2012515998A; CN102292848A; US20120148885A1

Abstract

Eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen, die über mit Polanschlüssen dieser Zellen in geeigneter Weise verbundene Kontaktelemente zu einer Batterie zusammengeschaltet sind, kann einzelnen Zellen einer Batterie zugeordnet werden. Die Schutzeinrichtung verfügt über eine Aktivierungseinrichtung (1008, 1108, 1208, 1011, 1111) zu ihrer Aktivierung. Bei Aktivierung der Schutzeinrichtung, überbrückt diese Schutzeinrichtung die ihr zugeordnete Zelle durch eine Veränderung der Zusammenschaltung und nimmt sie so aus dem Batterieverbund elektrisch heraus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen, eine galvanische Zelle mit einer solchen Schutzeinrichtung und eine Batterie aus solchen galvanischen Zellen. Batterien bestehen aus in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich häufig mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. In der Automobiltechnik werden solche Batterien, insbesondere Hochvolt-Batterien, u. a. als Traktionsbatterie für Elektrofahrzeuge und als Energiezwischenspeicher für Hybrid-Fahrzeuge eingesetzt. Solche Zellen können, beispielsweise durch Überladung, durch Kurzschluss oder durch andere Ursachen beschädigt oder auf andere Weise in ihrer bestimmungsgemäßen Funktion gestört sein.
Bekannt sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, die bei überladenen oder kurzgeschlossen Zellen den Stromkreis unterbrechen. So ist es beispielsweise bekannt, bei Überhitzung einer solchen Zelle deren Gehäuse an einer gezielt geschwächten Stelle, beispielsweise mit Hilfe einer Berstscheibe, unter Wirkung des gleichzeitig erhöhten Innendrucks der Zelle aufzureißen und dabei den elektrischen Kontakt vom Elektrodenwickel zu den Batteriepolen zu trennen. Solche bekannten Lösungen sind in manchen Fällen mit dem Nachteil verbunden, dass durch die zellseitige Trennung des Stromkreises die mit der defekten Zelle in Reihe geschalteten Zellen ebenfalls keinen Strom mehr abgeben können. Insbesondere bei Elektro-Fahrzeugen kann dies zum Totalausfall (”Liegenbleiber”) führen. Bei Hybrid-Fahrzeugen kann – je nach Systemaufbau – beispielsweise der Neustart des Verbrennungsmotors nicht mehr möglich sein.
Zur Vermeidung dieser Nachteile sind Einrichtungen vorgeschlagen worden, bei denen eine defekte Zelle aus der elektrischen Reihenschaltung herausgenommen und gleichzeitig überbrückt wird. Bei solchen bekannten Lösungen bezieht die Vorrichtung zur zellseitigen Trennung des Stromkreises und zur Überbrückung der defekten Zelle ihre Betätigungsenergie häufig aus der Druckerhöhung im Inneren der Zelle. Diese bekannten Einrichtungen werden damit erst wirksam, wenn die Zelle bereits irreversibel geschädigt ist. In solchen Fällen kann Zellinhalt, beispielsweise ein teilweise verdampfter Elektrolyt, austreten, der wegen seiner elektrischen Leitfähigkeit weitere Kurzschlüsse hervorrufen kann. Eine Reparatur der Batterie ist in solchen Fällen häufig nicht mehr möglich oder sinnvoll, weil durch die korrosive Wirkung des Elektrolyten innerhalb kurzer Zeit das Innere der Batterie angegriffen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle Schutzeinrichtung für galvanische Zellen anzugeben und die mit den bekannten Lösungen verbundenen Probleme nach Möglichkeit zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen nach Anspruch 1 gelöst. Sie wird ferner gelöst durch ein Erzeugnis nach einem der weiteren unabhängigen Ansprüche.
Die Erfindung sieht eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen vor, die über mit Polanschlüssen der Zellen in geeigneter Weise verbundene Kontaktelemente zu einer Batterie zusammengeschaltet sind. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Aktivierungseinrichtung zur Aktivierung der Schutzeinrichtung verfügt. Diese erfindungsgemäße Schutzeinrichtung überbrückt bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung eine ihr zugeordnete Zelle durch eine Veränderung der Zusammenschaltung und nimmt diese Zelle so aus dem Batterieverbund elektrisch heraus.
Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe werden im Folgenden definiert und erläutert.
Unter einer galvanischen Zelle im Sinne der vorliegenden Erfindung soll eine zum Aufbau einer Batterie geeignete elektrische oder elektrochemische Zelle, insbesondere eine Primärzelle oder eine Sekundärzelle, verstanden werden. Solche Zellen werden nachstehend auch als Batteriezellen, Zellen oder Einzelzellen bezeichnet. Unter einer Batterie ist eine Zusammenschaltung solcher Zellen – in Reihe und/oder parallel – zu verstehen.
Unter einer Zusammenschaltung von galvanischen Zellen ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jede technisch sinnvolle Kombination von Reihen- und/oder Parallelschaltungen solcher Zellen zu verstehen. Sie wird durch geeignete Verbindung der Polanschlüsse solcher galvanischen Zellen mit Hilfe von Kontaktelementen, insbesondere mit Hilfe von Kontaktblechen, Stromschienen, Isolatoren, etc. hergestellt.
Unter einer Aktivierungseinrichtung ist im vorliegenden Zusammenhang jede Einrichtung zur Aktivierung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung zu verstehen, die eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung in die Lage versetzt, gezielt einzelne Zellen einer Batterie zu überbrücken und so aus dem Batterieverbund elektrisch herauszunehmen. Mit dem Ausdruck elektrisch herausnehmen ist gemeint, dass die betroffene Zelle zwar räumlich an ihrer Position im Batterieverbund verbleibt, dass diese Zelle jedoch aus der die Batterie konstituierenden elektrischen Reihen- und/oder Parallelschaltung einer Mehrzahl von Zellen durch die Überbrückung bestimmter Kontakte herausgenommen wird.
Zur Aktivierung der Schutzeinrichtung mit Hilfe der Aktivierungseinrichtung wird Energie benötigt, beispielsweise weil hierzu Kontaktelemente bewegt werden müssen. Diese Energie wird erfindungsgemäß der Aktivierungseinrichtung von außen zugeführt oder durch einen Energiespeicher bereitgestellt, der Bestandteil der Schutzeinrichtung oder der Aktivierungseinrichtung ist. Hierbei kann es sich um Energiespeicher jeder möglichen Art handeln, insbesondere um mechanische Energiespeicher. Bei der Zufuhr der zur Aktivierung erforderlichen Energie von außen kommen hierzu geeignete Einrichtungen aller Art in Betracht, insbesondere elektromagnetische Wandler wie beispielsweise elektromagnetische Schalter (Relais, etc.), die mit Hilfe von Energie betrieben werden, die von außen zugeführt, also beispielsweise dem Batterieverbund entnommen wird, dessen restliche Zellen regelmäßig funktionstüchtig bleiben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand von Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt
1a einen Schaltplan einer Reihenschaltung von Batteriezellen, die jeweils über eine aktiv ansteuerbare zellseitige Einrichtung zur Herausnehme und zur Überbrückung von elektrisch in Reihe geschalteten Zellen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügen;
1b eine Zusammenschaltung von Batteriezellen mit den Schaltern einer Schutzeinrichtung, bei der sich sämtliche Schalter in einer Position befinden, die eine Reihenschaltung sämtlicher Batteriezellen bewirkt;
1c eine Zusammenschaltung von Batteriezellen, bei der ein Schalter sich in einer Position befindet, die eine Überbrückung einer Batteriezelle und damit ihre Herausnahme aus dem Batterieverbund bewirkt;
2 eine Zusammenschaltung von Batteriezellen mit Schutzeinrichtungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Seitenansicht eines Zellblocks mit Schutzeinrichtungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils des in 3 dargestellten Zellblocks mit einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 die Ansicht einer Zelle mit einer Schutzeinrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Detailansicht einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Explosionsdarstellung der in 6 gezeigten Ausführungsform;
8 eine Seitenansicht einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im nicht aktivierten Zustand (Normalbetrieb);
9a ein Schnittbild einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
9b eine Vergrößerung des rechten Teils der in 9a dargestellten Ausführungsform im nicht aktivierten Zustand (Normalbetrieb);
10 die Ansicht eines Zellblocks mit aktivierter Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine Seitenansicht einer aktivierten Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12a ein Schnittbild einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Fall einer aktivierten Schutzeinrichtung und
12b eine vergrößerte Darstellung des rechten Teils der in 12a dargestellten Ausführungsform einer aktivierten Schutzeinrichtung.
Wie in 1a dargestellt, besteht die prinzipielle Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung darin, eine defekte Zelle gezielt aus einer Zusammenschaltung mehrerer Zellen durch Überbrückung herauszunehmen. Hierzu sind Überbrückungen 104, 105, 106 vorgesehen, die im Aktivierungsfall eines der Schalter 101, 102, 103 eine Elektrode 107 mit der gleichnamigen Elektrode einer benachbarten Zelle verbinden. Im nicht aktivierten Zustand der Schutzeinrichtung ist hingegen die Elektrode 108 mit der zu ihr ungleichnamigen Elektrode der Nachbarzelle verbunden. In ähnlicher Weise zeigen die 1b und 1c die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung. Da sich in 1b sämtliche Schalter S1b, S2b, ..., S5b in einer entsprechenden gleichen Position befinden, liegt in 1b eine Reihenschaltung der Zellen Z1b, Z2b, ..., Z5b vor. In 1c befindet sich der Schalter S2c in der aktivierten Position, wodurch die Zelle Z2c auf der Zusammenschaltung herausgenommen ist.
Wie in 2 dargestellt, erfolgt die Zusammenschaltung von Batteriezellen mit Hilfe von Kontaktelementen. Beispiele für solche Kontaktelemente sind die in 2 dargestellten Stromschienen 205, 209 und 212. Die Elektroden (Ableiter) 203 bzw. 204 sind in geeigneter Weise mit diesen Kontaktelementen verbunden bzw. nicht verbunden. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist vorzugsweise jeweils zwischen den streifenförmigen Polen (”Ableitern”) von zwei benach barten Zellen angeordnet. Die Betätigungsenergie für die Aktivierung der Schutzeinrichtung wird beispielsweise in einer Wellfeder 208 gespeichert, die durch einen in den 7 und 9 gezeigten Schmelzdraht 711, 811, 911 in seiner Ausgangsposition gehalten wird. Bei beginnender Fehlfunktion wird dieser Schmelzdraht durch einen Stromimpuls durchschmolzen und die in den 2, 7 und 9 gezeigten Wellfeder 208, 708, 908 hebt die bislang elektrische Reihenschaltung zu Nebenzellen vornehmende bewegliche Stromschiene ab und presst diese gegen eine zweite Stromschiene, welche die defekte Zelle elektrisch umgeht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem Energiespeicher ausgestattet, welcher die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie speichert und bei Aktivierung zur Verfügung stellt. Dabei kann es sich um einem mechanischen Energiespeicher oder um andere Energiespeicher, beispielsweise chemische oder elektrische Energiespeicher, handeln. Ein einfach aufgebauter Energiespeicher 208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1008, 1108, 1208 wird in den 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 dargestellt. Eine Wellfeder 208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1008, 1108, 1208 wird von unten durch ein Lager 210, 310, 910, 1010, 1110 gehalten. Ein Schmelzdraht 711, 811, 911, 1111 hält diese Wellfeder in ihrer Ausgangsposition und Ausgangsform, also im gespannten Zustand. Schmilzt der Draht durch, hebt die Wellfeder das Kontaktblech 207, 407, 507, 607, 707, 807, 907, 1007, 1207 an und presst es gegen die Stromschiene 1105, 1205. Der Kontakt zum Kontaktblech 1106 wird unterbrochen. Somit ist die Überbückung der Zelle erfolgt.
Die Schutzeinrichtung befindet sich vorzugsweise in einem Gehäuse, welches in den Abbildungen nicht dargestellt ist. Dieses Gehäuse ist zur Vermeidung von Korrosion vorzugsweise luftdicht abgeschlossen und bei Bedarf mit einem inerten Schutzgas gefüllt.
Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann vorzugsweise aktiv und individuell für jede Zelle angesteuert werden und so die betreffende geschädigte Zelle einzeln aus dem Stromkreis herausnehmen und überbrücken. Stellt beispielsweise die Batterieelektronik durch die Überwachung der Zellspannung und/oder der Zelltemperatur eine beginnende Fehlfunktion einer Zelle fest, kann präventiv die Einrichtung ausgelöst werden. Die Batterie bleibt mit geringfügig reduzierter Spannungslage weiterhin betriebsfähig.
Die erfindungemäßen Lösungen, bei denen die Energie zur Aktivierung nicht aus einem Vorgang entnommen wird, der mit der Fehlfunktion oder mit der Zerstörung der betroffenen, zu überbrückenden Zelle zu tun hat, sondern bei denen die Energie zur Aktivierung von außerhalb der Schutzeinrichtung zugeführt oder einem Energiespeicher entnommen wird, der vorzugsweise Bestandteil der Schutzeinrichtung oder der Aktivierungseinrichtung ist, sind mit dem Vorteil verbunden, dass eine von einer Funktionsstörung betroffene Zelle bereits zu einem frühen Zeitpunkt aus dem Batterieverbund elektrisch herausgenommen werden kann, zu dem die Zerstörung der Zelle noch nicht begonnen hat oder gar so weit fortgeschritten ist, dass dem Zerstörungsprozess die zur Aktivierung der Schutzeinrichtung erforderliche Energie entnommen werden könnte. In vielen Fällen wird hierdurch eine Zerstörung der Zelle vermeidbar sein. Unter günstigen Bedingungen ist es möglich, dass eine überbrückte Zelle sich nach einer gewissen Zeit erholt und erneut in den Batterieverbund aufgenommen werden kann.
Unter der Annahme, dass die Aktivierung der Schutzeinrichtung früh genug erfolgt, kann die zu überbrückende Zelle sogar selbst noch die Energie zur Aktivierung ihrer Schutzeinrichtung liefern. Sie kann also als Energiespeicher der Schutzeinrichtung wirken, bevor sie dem Batterieverbund elektrisch durch Überbrückung entnommen wird.
Je nach der vorliegenden Anwendung ist eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einer Aktivierungseinrichtung ausgestattet, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das innerhalb bzw. außerhalb der Schutzeinrichtung erzeugt wird. Welche dieser beiden Möglichkeiten zu bevorzugen ist, wird in erster Linie von der Art des aktivierenden Ereignisses abhängen. Möglich ist es ist beispielsweise, dass eine Batterieelektronik die Zellenspannung einzelner Zellen überwacht und die Messergebnisse an eine zentrale Steuereinheit außerhalb der Batterie weitergibt, welche dann ihrerseits das Signal zur Aktivierung der Schutzeinrichtung derjenigen Zelle oder Zellen erzeugt und an die betreffende Schutzeinrichtung bzw. Schutzeinrichtungen weiterleitet, die den zu überbrückenden Zellen zugeordnet sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung sieht eine Aktivierungseinrichtung vor, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das von mindestens einem Sensor erzeugt wird, der mindestens eine physikalische Größe misst, die indizierend für den Betriebszustand der Batteriezelle ist, die der Schutzeinrichtung zugeordnet ist. Solche Sensoren können beispielsweise Temperatursensoren sein, die an jeder Zelle angebracht sind und die Temperatur der ihnen zugeordneten Zelle laufend messen. Auch hier sind wieder verschiedene Möglichkeiten gegeben, das Messergebnis auszuwerten.
Möglich ist beispielsweise, dass ein Temperatursensor lokal ein Signal zur Aktivierung der Schutzeinrichtung der Zelle erzeugt, deren Temperatur er laufend misst. Möglich ist aber auch, dass eine zentrale Steuereinheit die Messergebnisse dieser und/oder anderer Sensoren, beispielsweise Temperatur- und Spannungssensoren gemeinsam auswertet, um in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Messergebnissen mit Hilfe einer besonderen Entscheidungslogik ein Signal zur Aktivierung der Schutzeinrichtungen einzelner Zellen zu erzeugen, welches dann an die Aktivierungseinrichtungen der Schutzeinrichtungen dieser Zellen weitergeleitet wird und dort zur Aktivierung der betreffenden Schutzeinrichtungen führt.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzeinrichtung vorgesehen, deren Aktivierungseinrichtung bei nachträglichem Wegfall der Voraussetzungen für ihre Aktivierung deaktiviert werden kann, woraufhin diese Schutzeinrichtung die Überbrückung der ihr zugeordneten Zelle rückgängig macht, wodurch diese Zelle wieder in den Batterieverbund integriert wird. Die Aktivierungseinrichtung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung kann vorzugsweise auch so ausgeführt werden, dass beispielsweise nach einer Abkühlung der betreffenden Zelle diese wieder dem Batterieverband zugeschaltet werden kann. Die hierfür erforderliche Energie kann beispielsweise der nun wieder funktionsfähigen Zelle selbst oder den im Batterieverbund verbliebenen anderen Zellen entnommen werden. Bei dieser Zuschaltung kann vorzugsweise auch der Energiespeicher zur Aktivierung der Schutzeinrichtung wieder geladen werden.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzeinrichtung vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass sie zwischen den Polanschlüssen benachbarter Zellen angeordnet werden kann. Die 3, 4, 8, 10 und 11 zeigen Darstellungen solcher Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzeinrichtung mit einer Aktivierungseinrichtung vorgesehen, die einen Schmelzdraht umfasst, welcher eine Wellfeder, die als Energiespeicher dient, in einem gespannten Zustand hält und die durch einen Strompuls aktiviert wird, welcher den Schmelzdraht durchschmilzt, woraufhin die Wellfeder sich entspannt und dabei die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie zur Verfügung stellt. Diese mechanische Ausgestaltung des Energiespeichers ist – beispielsweise im Vergleich zu einer externen aktiven Ansteuerung der Aktivierungseinrichtung – besonders robust gegen Störungen und – wegen entfallender Signalleitungen – kostengünstig herzustellen.
Vorteilhaft ist ferner eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem luftdicht abgeschlossenen Gehäuse. Besonders vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung deren Gehäuse mit einem inerten Schutzgas befüllt ist.
Im Vergleich zu einem mit Umgebungsluft befüllten Gehäuse ist der Korrosionsschutz bei geeigneter Wahl des Schutzgases häufig besser.
5 zeigt eine Batteriezelle 501 mit einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung. Die Elektroden 503 und 504 sind über geeignete Kontaktbleche 506 und 507 mit Stromschienen 509 verbunden. Eine Wellfeder 508 verändert die Stellung des Kontaktblechs 507 bei Aktivierung der Schutzeinrichtung der Zelle 501.
6 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung mit den Elektroden 603, 604, der Wellfeder 608 und den Kontaktblechen 606 und 607. Wie in 7 gezeigt, ist die Wellfeder 708 auf einem Lager 710 gelagert, welches dafür sorgt, dass bei durchschmelzendem Schmelzdraht 711 die sich entspannende Wellfeder nicht nach unten ausweichen kann, weshalb sie das Kontaktblech 707 der Elektrode 704 bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung nach oben drücken muss.
Wie in 8 deutlich zu sehen ist, kontaktiert das Kontaktblech 707 bzw. 807 vor der Aktivierung mit dem Kontaktblech 806 der benachbarten Zelle 802. Nach der Aktivierung durch das Durchschmelzen des Schmelzdrahtes 811 kontaktiert es mit der Stromschiene 805.
Die seitlichen Schnittdarstellungen der 9a, 9b bzw. 12a und 12b zeigen dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung vor bzw. nach der Aktivierung. Die 9a bzw. 12a zeigen den Zusammenhang der in den 9b bzw. 12b dargestellten Ausschnitte.
Die folgenden Bezugszeichen wurden in den Figuren zur Identifikation der dargestellten Einzelheiten verwendet:

201, 301, 801, 1001, 1101, 1201: Galvanische Zelle, Batteriezelle
202, 302, 802, 1002, 1102, 1202: Galvanische Zelle, Batteriezelle
203, 503, 603, 803, 1003, 1103, 1203: Elektrode, Ableiter, Ableiterblech
204, 504, 604, 704, 1104: Elektrode, Ableiter, Ableiterblech
205, 405, 805, 905, 1005, 1205: Stromschiene, Kontaktelement
206, 406, 506, 606, 706, 806, 1106: Kontaktblech einer Elektrode
207, 407, 507, 607, 707, 807, 907, 1007, 1107, 1207: Kontaktblech einer Elektrode
208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1108, 1208: Wellfeder
209, 409, 509, 709, 1009: Stromschiene, Kontaktelement
910, 1110, 1210: Lager der Wellfeder
911, 1011, 1111, 1211: Schmelzdraht
212, 1012, 1212: Stromschiene, Kontaktelement
1013: Kontaktblech einer Elektrode
214, 1014: Kontaktblech einer Elektrode
1230: Sollbruchstelle des Schmelzdrahtes
390: in 4 dargestellter Ausschnitt aus 3

Die 2, 3, 4, 8, 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele einer Batterie aus Batteriezellen mit erfindungsgemäßen Schutzeinrichtungen. Eine solche Batterie besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Schutzeinrichtungen, die zwischen benachbarten Zellen der Batterie angeordnet sind. Dabei ist eine Mehrzahl von Kontaktelementen zur Zusammenschaltung einer Reihenschaltung und/oder Parallelschaltungen von Zellen der Batterie vorgesehen. Ein erster Teil dieser Kontaktelemente ist beweglich angeordnet; ein zweiter Teil dieser Kontaktelemente ist unbeweglich angeordnet. Eine Aktivierung einer Schutzeinrichtung einer ersten Zelle bewirkt, dass ein bewegliches erstes Kontaktelement, welches vor der Aktivierung einer elektrischen Reihenschaltung zur einer benachbarten zweiten Zelle dient, bei Aktivierung der Schutzeinrichtung bewegt und gegen ein unbewegliches zweites Kontaktelement gepresst wird, wodurch die erste Zelle überbrückt und somit elektrisch aus der Reihenschaltung herausgenommen wird.
Für alle Ausführungsbeispiele der Erfindung gilt, dass die Überbrückung oder Abschaltung defekter Zellen, die Ansteuerung der Aktivierungseinrichtung oder ähnliche Aufgaben im Rahmen der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mit Hilfe von Halbleiterbauelementen durchgeführt werden kann. Beispielsweise eignen sich Halbleiterschaltelemente wie z. B. Thyristoren oder Feldeffekttransistoren (z. B. Power-MOSFETs) gut für solche Zwecke. Diese können vorzugsweise elektrisch von einem Temperatursensor über eine Steuerelektronik angesteuert werden.

Claims

Schutzeinrichtung für galvanische Zellen (201, 202, 301, 302), die über mit Polanschlüssen (203, 204, 503, 504) der Batteriezellen in geeigneter Weise verbundene Kontaktelemente (205, 207, 209, 212, 405, 409, 406, 407, 506, 507, 509, 606, 607, 706, 707, 709, 805, 806, 807, 809) zu einer Batterie zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schutzeinrichtung über eine Aktivierungseinrichtung (708, 710, 711) zur Aktivierung der Schutzeinrichtung verfügt, – bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung diese Schutzeinrichtung eine ihr zugeordnete Zelle durch eine Veränderung der Zusammenschaltung überbrückt und so aus dem Batterieverbund elektrisch herausnimmt.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 die einen Energiespeicher umfasst, welcher die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie speichert und bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung zur Verfügung stellt.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 mit einem mechanischen Energiespeicher (708, 808, 908, 1008, 1108, 1208).
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einzelnen Zellen einer Batterie zugeordnet werden kann.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Aktivierungseinrichtung, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das außerhalb der Schutzeinrichtung erzeugt wird.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Aktivierungseinrichtung, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das innerhalb der Schutzeinrichtung erzeugt wird.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Aktivierungseinrichtung, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das von mindestens einem Sensor erzeugt wird, der mindestens eine physikalische Größe misst, die indizierend für den Betriebszustand einer galvanischen Zelle ist, die der Schutzeinrichtung zugeordnet ist.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Aktivierungseinrichtung bei nachträglichem Wegfall der Voraussetzungen für ihre Aktivierung deaktiviert werden kann, woraufhin diese Schutzeinrichtung die Überbrückung der ihr zugeordneten Zelle rückgängig macht, wodurch diese Zelle wieder in den Batterieverbund integriert wird.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die so ausgestaltet ist, dass sie zwischen den Polanschlüssen benachbarter Zellen angeordnet werden kann.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Aktivierungseinrichtung, – die einen Schmelzdraht (911, 1211) umfasst, welcher eine Wellfeder (908, 1208), die als Energiespeicher dient, in einem gespannten Zustand hält und – die durch einen Strompuls aktiviert wird, welcher den Schmelzdraht durchschmilzt (1230), woraufhin die Wellfeder sich entspannt und dabei die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie zur Verfügung stellt.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem luftdicht abgeschlossenen Gehäuse.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 11, dessen Gehäuse mit einem Schutzgas befüllt ist.
Galvanische Zelle mit einer Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Batterie aus galvanischen Zellen nach Anspruch 13.
Batterie nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mehrzahl von Schutzeinrichtungen zwischen benachbarten Zellen der Batterie angeordnet ist, – eine Mehrzahl von Kontaktelementen zur Zusammenschaltung einer Reihenschaltung von Zellen der Batterie vorgesehen ist, – ein erster Teil dieser Kontaktelemente beweglich angeordnet ist, – ein zweiter Teil dieser Kontaktelemente unbeweglich angeordnet ist, und eine Aktivierung einer Schutzeinrichtung einer ersten Zelle bewirkt, dass ein bewegliches erstes Kontaktelement, welches vor der Aktivierung einer elektrische Reihenschaltung zur einer benachbarten zweiten Zelle dient, bei Aktivierung der Schutzeinrichtung bewegt und gegen ein unbewegliches zweites Kontaktelement gepresst wird, wodurch die erste Zelle überbrückt und somit elektrisch aus der Reihenschaltung herausgenommen wird.