DE102010044455A1 - Verbindungelement für ein Energiespeichermodul und Energiespeichermodul - Google Patents

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Abstract

Das Verbindungselement zum Verbinden von Zellen eines elektrischen Energiespeichermoduls umfasst zwei Kontaktabschnitte, die jeweils zum Verbinden mit einer Polfläche einer Zeile dienen, sowie einem zwischen den Kontaktabschnitten angeordneten Mittelabschnitt (16). Im Mittelabschnitt ist eine Schmelzzone (14) ausgebildet, die schmilzt und dadurch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktabschnitten (4, 6) unterbricht, wenn ein durch das Verbindungselement fließender elektrischer Strom einen vorgegebenen Bemessungsstrom deutlich übersteigt. Auf diese Weise ist in das Verbindungselement eine Schmelzsicherung integriert. Als Element des Energiespeichermoduls schützt das Verbindungselement das Energiespeichermodul vor den schädlichen Auswirkungen einer Überhitzung aufgrund eines zu hohen Entladestroms und verbessert somit die Betriebssicherheit des Energiespeichermoduls.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbindungselement zum Verbinden von Zellen eines elektrischen Energiespeichermoduls sowie auf ein Energiespeichermodul, bei dem das erfindungsgemäße Verbindungselement angewendet ist.
  • Es ist ein elektrisches Energiespeichermodul bekannt, das zumindest zwei elektrochemische Energiespeicherzellen aufweist und zur Speicherung von elektrischer Energie dient. Die elektrochemischen Energiespeicherzellen, bei denen es sich üblicherweise und vorzugsweise um wiederaufladbare Sekundärzellen handelt, werden im Folgenden kurz als Zellen bezeichnet. Innerhalb des Energiespeichermoduls, für das auch die Bezeichnung Akkumulator üblich ist und das auch als Zellenverbund bezeichnet werden kann, sind die Zellen parallel und/oder in Reihe miteinander verbunden, um eine gewünschte Gesamtspannung und eine gewünschte Kapazität des Energiespeichermoduls zu erreichen. Für die elektrische Verbindung zwischen zumindest zwei Zellen sorgt ein metallisches Verbindungselement, das an seinen beiden Enden jeweils mindestens einen Kontaktabschnitt aufweist, der in Kontakt mit einer der Polflächen einer der zu verbindenden Zellen steht und üblicherweise mit dieser Polfläche stofflich verbunden ist.
  • Ein solches Energiespeichermodul findet Anwendung bei elektrisch betriebenen Geräten und wird dabei in das Gerät eingesetzt oder an das Gerät angesetzt, so dass das Gerät ohne Kabelverbindung zu einem stationären Stromnetz betrieben werden kann. Beispiel für diese sogenannten Akkugeräte sind elektrisch betriebene Werkzeuge, Küchengeräte und Gartengeräte.
  • In den Elementen des aus dem Energiespeichermodul gespeisten Stromkreises des Akkugerätes kann es bei starken Strömen zu einer Überhitzung kommen, die das Element schädigt oder zerstört. Ferner wird in den Zellen des Energiespeichermoduls zunehmend mehr Wärme erzeugt, je stärker der Entladestrom ist, und erfolgt eine Erwärmung in den Leitern und an den Kontaktstellen des Energiespeichermoduls in Abhängigkeit von der Stärke des Entladestroms und den lokalen Widerständen. Dies kann zu einer lokalen Überhitzung oder einer Überhitzung des gesamten Energiespeichermoduls führen mit der Folge, dass Elemente des Energiespeichermoduls beschädigt oder zerstört werden, wobei möglicherweise die Gehäuse der Zellen undicht werden und gesundheitsschädliche Stoffe aus ihnen austreten. Die Überhitzung und Beschädigung des Energiespeichermoduls kann zu Folgeschäden am Akkugerät führen. Die geschilderten Risiken beeinträchtigen erkennbar die Betriebssicherheit des Energiespeichermoduls.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zur Erhöhung der Betriebssicherheit eines Energiespeichermoduls der vorstehend geschilderten Art zu schaffen sowie ein Energiespeichermodul mit verbesserter Betriebssicherheit zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Patenanspruch 1 definierte Verbindungselement sowie das elektrische Energiespeichermodul gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verbindungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ist im Mittelabschnitt eine Schmelzzone ausgebildet, die schmilzt und dadurch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktabschnitten des Verbindungselementes unterbricht, wenn ein durch das Verbindungselement fließender elektrischer Strom einen vorgegebenen Bemessungsstrom deutlich übersteigt. Es ist somit in das Verbindungselement eine Schmelzsicherung integriert, die bei zu starker Strom auslöst und jeden Stromfluss durch das Verbindungselement unterbindet. Dadurch ist das Verbindungselement ein Mittel, das als Bestandteil eines Energiespeichermoduls dessen Überhitzung und die dadurch gegebenenfalls verursachten Schäden verhindert und somit dessen Betriebssicherheit erhöht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbindungselementes und des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische und schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verbindungselementes;
  • 2 ausschnittsweise eine perspektivische und schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verbindungselementes; und
  • 3 eine perspektivische und schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls.
  • Das Verbindungselement 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit der in 1 gezeigten Gestalt ist beispielsweise durch Stanzen und nachfolgendes Biegen und Prägen aus einem Metallblech hergestellt worden. Bei diesem Metallblech handelt es sich vorzugsweise um ein elektrolytisch oberflächenveredeltes Metallblech, beispielsweise ein verzinktes oder vernickeltes Stahlblech. Das Verbindungselement 2 ist insgesamt ein langgestreckter Körper, der an seinem einen Ende einen platten- bzw. scheibenförmigen ersten Kontaktabschnitt 4 und an seinem anderen Ende einen platten- bzw. scheibenförmigen zweiten Kontaktabschnitt 6 aufweist. Jeder der beiden Kontaktabschnitte 4 und 6 ist mit zumindest einem Vorsprung, vorzugsweise jedoch mehreren Vorsprüngen 8 versehen, die von der in 1 nicht sichtbaren Unterseite des jeweiligen Kontaktabschnitts vorstehen und durch Prägen hergestellt worden sind. Die Vorsprünge 8 eines jeweiligen Kontaktabschnitts dienen zur Kontaktierung mit einer Polfläche einer Zelle, das heißt einer elektrochemischen Energiespeicherzelle.
  • Ein erster Übergangsabschnitt 10 ist einstückig mit dem ersten Kontaktabschnitt 4 ausgebildet, und ein zweiter Übergangsabschnitt 12 ist einstückig mit dem zweiten Kontaktabschnitt 6 ausgebildet. Zwischen den beiden Kontaktabschnitten 10 und 12 verläuft ein schmaler Abschnitt 14, der einstückig mit den beiden Übergangsabschnitten 10 und 12 ausgebildet ist und eine wesentlich geringere stromleitende Querschnittsfläche hat als die beiden Übergangsabschnitte 10 und 12 und die beiden Kontaktabschnitte 4 und 6. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der stabförmige schmale Abschnitt 14 die einzige mechanische und elektrische Verbindung zwischen den beiden Übergangsabschnitten 10 und 12 und somit zwischen den beiden Kontaktabschnitten 4 und 6. Die beiden Übergangsabschnitte 10 und 12 sowie der schmale Abschnitt 14 bilden gemeinsam einen zwischen den beiden Kontaktabschnitten 4 und 6 angeordneten Mittelabschnitt 16 des Verbindungselementes.
  • Der stabförmige schmale Abschnitt 14 wird aufgrund seines elektrischen Widerstandes von durchfließendem Strom erwärmt. Er ist unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstandes des Werkstoffs des Verbindungselementes derart dimensioniert, dass die Erwärmung bis zu einer gewissen Stromstärke, dem sogenannten Bemessungsstrom, vernachlässigbar ist. Wenn jedoch die Stromstärke den Bemessungsstrom deutlich übersteigt, wird die Erwärmung so stark, dass der stabförmige schmale Abschnitt 14 schmilzt und dadurch der Stromfluss durch das Verbindungselement unterbrochen wird. Dies wird als Auslösen bezeichnet. Dabei ist die Auslösezeit, das heißt die Zeitdauer vom Zeitpunkt der Erhöhung der Stromstärke bis zum Auslösen, abhängig von dem Ausmaß, in dem die Stromstärke den Bemessungsstrom übersteigt. Dieser Zusammenhang ist von Schmelzsicherungen bekannt und wird daher hier nicht mehr näher erläutert. Beispielsweise kann die Ausbildung des stabförmigen schmalen Abschnitts 14 derart sein, dass bei einer fünffachen Überschreitung des Bemessungsstromes die Auslösung nach 5 Sekunden erfolgt, bei einer zehnfachen Überschreitung des Bemessungsstromes die Auslösung schon nach 0,2 Sekunden erfolgt.
  • Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist der stabförmige schmale Abschnitt 14 zu dem Zweck vorgesehen, im Bedarfsfall zu schmelzen. Er bildet somit eine Schmelzzone des Mittelabschnitts 16 des Verbindungselementes 2.
  • Wie in 1 erkennbar ist, sind die beiden Übergangsabschnitte 10 und 12 bei Betrachtung aus Richtung A in 1 S-förmig gekrümmt, so dass die durch den schmalen Abschnitt 14 gebildete Schmelzzone in einer anderen Ebene angeordnet ist als die Ebene, in der die beiden Kontaktabschnitte 4 und 6 angeordnet sind, wobei der schmale Abschnitt 14 bei Betrachtung von oben, das heißt entgegen der Richtung B, relativ zu den beiden Kontaktabschnitten 4 und 6 nach oben, das heißt in Richtung B in 1, versetzt ist. Wie ebenfalls in 1 erkennbar ist, verläuft der stabförmige schmale Abschnitt 14 geneigt bezüglich einer die Mitten der beiden Kontaktabschnitte 4 und 6 verbindenden Geraden 18. Diese Ausgestaltungen erhöhen die Elastizität des Verbindungselementes 2, so dass kleine Abweichungen der Relativlage der mittels des Verbindungselementes 2 verbundenen bzw. zu verbindenden Zellen kompensiert werden können.
  • Das vorstehend beschriebene erste Ausführungsbeispiel kann dadurch abgewandelt sein, dass dessen Mittelabschnitt 16 zusätzlich mit einem Lotkörper 20 aus niedrigschmelzendem Metalllot versehen ist. Dieser Lotkörper 20 ist in 1 lediglich durch seinen gestrichelten Umriss gezeigt. Dabei befindet sich der Lotkörper 20 in Kontakt mit den beiden Übergangsabschnitten 10 und 12 und dem stabförmigen schmalen Abschnitt 14, der vom Lotkörper 20 umschlossen ist. Dabei bilden der stabförmige schmale Abschnitt 14 und der Lotkörper 20 gemeinsam die Schmelzzone des Mittelabschnitts 16. Bei einer deutlich den Bemessungsstrom überschreitenden Stromstärke schmilzt zunächst der Lotkörper, so dass der stabförmige schmale Abschnitt 14 freigelegt wird und dann seinerseits schmilzt. Bei dieser Abwandlung ist die Auslösezeit länger als bei dem vorstehend beschriebenen, nicht abgewandelten ersten Ausführungsbeispiel. Dies heißt mit anderen Worten, dass die Abwandlung träger reagiert.
  • 2 zeigt perspektivisch und ausschnittsweise eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungselementes, wobei das Verbindungselement in 2 während eines Herstellungsschrittes desselben dargestellt ist. Für das zweite Ausführungsbeispiel gilt die Erläuterung des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels, soweit im Folgenden nichts anderes gesagt ist. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass die Schmelzzone des Verbindungselementes ausschließlich durch einen Lotkörper 22 aus niedrigschmelzendem Metalllot gebildet ist, der in 2 lediglich durch seinen gestrichelten Umriss wiedergegeben ist. Die beiden Übergangsabschnitte 10 und 12 weisen an ihren einander zugewandten Enden jeweils einen U-förmigen Abschnitt 24 auf, wobei die beiden Abschnitte 24 voneinander beabstandet sind. Der Lotkörper 22 befindet sich in Kontakt mit den beiden U-förmigen Abschnitten 24 und überbrückt die Lücke zwischen diesen. Damit die beiden Abschnitte 24 während des Aufbringens des Lotkörpers 22 die gewünschte Relativposition zueinander einnehmen, ist auf jeder Seite der beiden U-förmigen Abschnitte 24 ein Steg 26 vorgesehen, der die beiden Übergangsabschnitte 10 und 12 miteinander verbinden. Nach dem Anbringen des Lotkörpers 22 an den beiden U-förmigen Abschnitten 24 werden die Stege 26 an den Trennstellen 28 abgeschnitten, so dass dann am fertigen Verbindungselement allein der Lotkörper 22 die Übergangsabschnitte 10 und 12 mechanisch und elektrisch miteinander verbindet und die Schmelzzone bildet.
  • Die Abmessungen und der spezifische Widerstand des Lotkörpers 22 sind derart gewählt, dass sich ein gewünschtes Auslöseverhalten ergibt.
  • 3 zeigt schematisch und perspektivisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 30. Dieses umfasst ein lediglich gestrichelt dargestelltes Gehäuse 32 und zwei innerhalb des Gehäuses angeordnete Trägerplatten 34. Die Trägerplatten 34 tragen sechs stabförmige Zellen, die als wiederaufladbare Sekundärzellen ausgebildet sind und elektrisch in Reihe verbunden sind. Ein Stecker 36 mit Kontakten 38 dient zum Verbinden des Energiespeichermoduls 30 mit einem Ladegerät oder einem Akkugerät.
  • Eine Zelle 40 und eine Zelle 42 aus der Gesamtheit der sechs Zellen sind mittels eines Verbindungselementes 2 der vorstehend beschriebenen Art miteinander verbunden. Einer der beiden Kontaktabschnitte 4 und 6 des Verbindungselementes 2 ist mit einer Polfläche 44 der Zelle 40 verschweißt, und der andere der beiden Kontaktabschnitte ist mit einer Polfläche der Zelle 42 verschweißt. Die Verschweißung erfolgt jeweils durch Widerstandsschweißen unter Nutzung der Vorsprünge 8 an den Kontaktabschnitten 4 und 6. Außer dem Verbindungselement 2, das die bei der Erläuterung von dessen Ausführungsbeispielen beschriebene Schmelzzone aufweist, weist das Energiespeichermodul 30 weitere Verbindungselemente 46 auf, die in herkömmlicher Weise ohne Schmelzzone ausgebildet sein können, jedoch vorzugsweise ebenfalls als erfindungsgemäße Verbindungselemente mit Schmelzzone ausgebildet sind.
  • Bevor der dem Energiespeichermodul 30 entnommene Entladestrom so hoch wird, dass die durch den Entladestrom bewirkte lokale Erwärmung im Energiespeichermodul 30 oder Erwärmung des gesamten Energiespeichermodul, 30 sich in bereits einleitend erläuterter Weise nachteilig auswirken kann, schmilzt die Schmelzzone des Verbindungselementes 2, das heißt wird an diesem die Auslösung bewirkt. Die Betriebssicherheit des Energiespeichermoduls mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Verbindungselement ist somit verbessert und dieses Verbindungselement stellt ein geeignetes Mittel zur Verbesserung der Betriebssicherheit dar.
  • In vorteilhafter Weiterbildung des beschriebenen Energiespeichermoduls 30 kann dieses mit einer nicht dargestellten elektronischen Ermittlungsschaltung, die ermittelt, ob das Verbindungselement 2 stromleitend oder unterbrochen ist, und einer ebenfalls nicht dargestellten Anzeigevorrichtung versehen sein, die das Ermittlungsergebnis der Ermittlungsschaltung anzeigt.

Claims (15)

  1. Verbindungselemente zum Verbinden von Zellen eines elektrischen Energiespeichermoduls, wobei das Verbindungselement aufweist einen ersten Kontaktabschnitt (4), einen zweiten Kontaktabschnitt (6) und einen Mittelabschnitt (16), wobei die beiden Kontaktabschnitte (4, 6) und der Mittelabschnitt (16) aus elektrisch leitfähigem Metall bestehen und wobei der Mittelabschnitt (16) zwischen dem ersten Kontaktabschnitt (4) und dem zweiten Kontaktabschnitt (6) angeordnet ist und die beiden Kontaktabschnitte (4, 6) mechanisch und elektrisch miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass im Mittelabschnitt (16) eine Schmelzzone (14; 14, 20; 22) ausgebildet ist, die schmilzt und dadurch die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktabschnitten (4, 6) unterbricht, wenn ein durch das Verbindungselement (2) fließender elektrischer Strom einen vorgegebenen Bemessungsstrom deutlich übersteigt.
  2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kontaktabschnitte (4, 6) aus elektrolytisch oberflächenveredeltem Metallblech gefertigt sind.
  3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kontaktabschnitte (4, 6) platten- bzw. scheibenförmig gestaltet sind und jeweils mindestens einen Vorsprung (8) aufweisen.
  4. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (16) zwei Übergangsabschnitte (10, 12), die jeweils einstückig mit einem der beiden Kontaktabschnitte (4, 6) ausgebildet sind und sich an diesen anschließen, und einen zwischen den Übergangsabschnitten (10, 12) angeordneten schmalen Abschnitt (14) aufweist, der einstückig mit den Übergangsabschnitten (10, 12) ausgebildet ist und eine geringere Querschnittsfläche als der übrige Mittelabschnitt (16) und die beiden Kontaktabschnitte (4, 6) hat.
  5. Verbindungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der schmale Abschnitt (14) die Gestalt eines Stabes hat.
  6. Verbindungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige schmale Abschnitt (14) geneigt bezüglich einer die Mitten der beiden Kontaktabschnitte (4, 6) verbindenden Geraden (18) verläuft.
  7. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzzone durch den schmalen Abschnitt (14) gebildet ist
  8. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (16) einen Lotkörper (20) aus niedrigschmelzendem Metalllot aufweist, der in Kontakt mit den beiden Übergangsabschnitten (10, 12) und dem schmalen Abschnitt (14) steht, wobei die Schmelzzone gemeinsam durch den Lotkörper (20) und den schmalen Abschnitt (14) gebildet ist.
  9. Verbindungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotkörper (20) den schmalen Abschnitt (14) umschließt.
  10. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (16) zwei Übergangsabschnitte (10, 12), die jeweils einstückig mit einem der beiden Kontaktabschnitte (4, 6), ausgebildet sind und sich an diese anschließen, und einen zwischen den Übergangsabschnitten (10, 12) angeordneten Lotkörper (22) aus niedrigschmelzendem Metalllot aufweist, der in Kontakt mit den beiden Übergangsabschnitten (10, 12) steht, wobei die Schmelzzone durch den Lotkörper (22) gebildet ist.
  11. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kontaktabschnitte (4, 6) im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und dass die beiden Übergangsabschnitte (10, 12) jeweils im Wesentlichen S-förmig gekrümmt sind derart, dass die Schmelzzone (14; 14, 20; 22) in einer von der Ebene der Kontaktabschnitte (10, 12) verschiedenen Ebene angeordnet ist.
  12. Elektrisches Energiespeichermodul mit zumindest zwei Zellen (40, 42) zur Speicherung elektrischer Energie und zumindest einem Verbindungselement (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
  13. Energiespeichermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (40, 42) wiederaufladbare Sekundärzellen sind.
  14. Energiespeichermodul nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktabschnitte (4, 6) des zumindest einen Verbindungselementes (2) mit Polflächen (44) der Zellen (40, 42) verschweißt sind.
  15. Energiespeichermodul nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine elektronische Ermittlungsschaltung, die ermittelt, ob das Verbindungselement (2) stromleitend oder unterbrochen ist, und eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige des Ermittlungsergebnisses. (1)
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