DE102011015829A1 - Elektrochemische Energiespeicherzelle mit Stromunterbrechungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist eine Stromunterbrechungseinrichtung zur Unterbrechung wenigstens eines zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehenen elektrischen Anschlusses der Energiespeicherzelle auf. Weiterhin weist die Energiespeicherzelle eine Entladungseinrichtung auf, die eine vollständige oder teilweise Entladung der Energiespeicherzelle ermöglicht, wenn wenigstens ein zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehener elektrischer Anschluss der Energiespeicherzelle durch die Stromunterbrechungseinrichtung unterbrochen ist. Hierdurch wird eine Entladung der Energiespeicherzelle und damit ein sicherer Transport und eine sichere Lagerung der Energiespeicherzelle ermöglicht, gleichzeitig jedoch ein Weiterbetrieb der möglicherweise durch eine Überladung beschädigten Energiespeicherzelle verhindert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeicherzelle mit einer Stromunterbrechungseinrichtung zur Unterbrechung wenigstens eines zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehenen elektrischen Anschlusses der Energiespeicherzelle.
  • Unter einer elektrochemischen Energiespeicherzelle wird hierbei eine Vorrichtung zur chemischen Speicherung von elektrischer Energie und der Abgabe dieser Energie in Form eines elektrischen Stromes verstanden. Es kann sich dabei um eine wiederaufladbare Zelle handeln, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle, oder auch um eine nicht-wiederaufladbare Zelle, beispielsweise eine Alkali-Batteriezelle.
  • Eine elektrochemische Energiespeicherzelle der betrachteten Art ist in einer üblichen Ausführung wie folgt aufgebaut: Die Energiespeicherzelle weist eine Elektrodenanordnung aus flächig ausgebildeten Anoden und Kathoden auf, welche wechselweise aneinander anliegend angeordnet sind und wobei jeweils zwei benachbarte Elektroden durch einen ebenfalls flächigen Separator voneinander getrennt sind. Die Anordnung aus Elektroden und Separatoren ist mit einem, insbesondere flüssigen, Elektrolyten gefüllt und von einem festen oder auch flexiblen Gehäuse umgeben.
  • Die Abführung und/oder Zuführung von elektrischer Energie aus der bzw. in die Energiespeicherzelle erfolgt über mit den Elektroden verbundene elektrische Leiter, welche jeweils für alle oder einen Teil der Anoden bzw. Kathoden gebündelt werden und als zwei oder mehr elektrische Anschlüsse aus dem Zellgehäuse herausgeführt werden. Über diese Anschlüsse kann die Energiespeicherzelle im Betrieb zur Abgabe von elektrischer Energie an einen Verbraucher entladen bzw. – im Fall einer wiederaufladbaren Energiespeicherzelle – auch geladen werden. Weiterhin kann die Energiespeicherzelle über diese Anschlüsse mit anderen Energiespeicherzellen, beispielsweise durch Serien- oder Parallelschaltung, zu einem Batteriemodul zusammengeschaltet werden.
  • Die im letzten Absatz genannten elektrischen Anschlüsse der Energiespeicherzelle, welche auch Stromableiter oder Pole genannt werden, werden im Kontext der vorliegenden Erfindung als zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehene elektrische Anschlüsse der Energiespeicherzelle bezeichnet.
  • Beim Betrieb einer elektrochemischen Energiespeicherzelle kann es in bestimmten Situationen zu einer starken Wärmeentwicklung und/oder zur Entstehung von Gasen innerhalb des Zellgehäuses kommen, insbesondere als Folge einer Überladung bei wiederaufladbaren Energiespeicherzellen. Diese Effekte können schließlich zu einer Überhitzung und im Extremfall zu einer Entzündung bzw. zu einem Überdruck und im Extremfall zu einer Explosion der Energiespeicherzelle führen. Beides stellt für den Betrieb der Energiespeicherzelle ein großes Sicherheitsrisiko dar.
  • Neben der Abführung der entstandenen Wärme durch geeignete Kühlvorrichtungen bzw. der Abführung der entstandenen Gase durch geeignete Entlüftungseinrichtungen ist es in beiden Fällen vorteilhaft, eine weitere Zu- oder Abfuhr von elektrischer Energie über die zum Betrieb vorgesehenen elektrischen Anschlüsse in die bzw. aus der Energiespeicherzelle und somit beispielsweise eine weitere Überladung unverzüglich abzubrechen.
  • Hierzu dienen so genannte ”Current Interrupt Devices” (CID), welche im Falle einer Überhitzung bzw. eines Überdrucks, beispielsweise in Folge einer Überladung der Energiespeicherzelle, die zum Betrieb vorgesehenen elektrischen Anschlüsse und damit einen Stromfluss in die bzw. aus der Energiespeicherzelle unterbrechen. Solche CIDs können mit einer Einrichtung zur Vermeidung der Überhitzung bzw. des Überdrucks, beispielsweise einem Überdruckventil in Form einer zerreißbaren Membran, gekoppelt sein, indem beispielsweise gleichzeitig mit der Membran ein elektrischer Leiter zerreißt. Das CID kann jedoch auch durch elektromechanische, elektrische oder elektronische Komponenten wie MOSFETs oder andere Transistoren, Sicherungen, Schalter oder Relais realisiert sein.
  • Einrichtungen der genannten Art werden im folgenden als Stromunterbrechungseinrichtungen bezeichnet.
  • Bei der Verwendung von herkömmlichen CIDs ergibt sich das Problem, dass diese üblicherweise nicht reversibel sind, d. h. sie können nur ein einziges Mal auslösen, wobei durch die Auslösung des CID die Möglichkeit der Ab- oder Zuführung von elektrischer Energie aus der bzw. in die Energiespeicherzelle unwiederbringlich verlorengeht.
  • Dies ist insbesondere aus dem Grunde problematisch, dass die Energiespeicherzelle beim Auslösen des CID im Allgemeinen voll geladen ist und somit eine große Energiemenge enthält. Gleichzeitig ist die Energiespeicherzelle in Folge der Überladung und der damit verbundenen Wärme- und/oder Gasentwicklung möglicherweise sogar beschädigt worden. Dies stellt insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Entstehung von sogenannten ”hot spots” (Stellen mit besonders hoher Wärmeentwicklung) oder von Kurzschlüssen innerhalb der Energiespeicherzelle eine Gefahr dar und beeinträchtigt außerdem die Möglichkeiten der Handhabung der Energiespeicherzelle, da gefährliche und/oder geschädigte Energiespeicherzellen unter Umständen nicht transportiert oder frei gelagert werden dürfen.
  • Nach einer irreversiblen Auslösung eines CID ist eine Abführung der gespeicherten Energie aus der Energiespeicherzelle in Form einer kontrollierten Entladung jedoch nicht mehr möglich, so dass keine Möglichkeit besteht, die genannte Gefahr zu beseitigen.
  • Demgegenüber ist es auch bekannt, ein CID reversibel auszugestalten, hauptsächlich jedoch unter dem Gesichtspunkt, dass die Energiespeicherzelle auch nach einer Auslösung des CID noch im üblichen Betrieb verwendet werden kann.
  • So wird in der US 2007/0275298 A1 beispielsweise eine elektrochemische Zelle beschrieben, welche eine Verschlussplatte aus einem durch Hitze verformbaren Material sowie ein Druckablassventil aufweist, wobei die Verschlussplatte bei einer Übertemperatur der Zelle gleichzeitig das Druckablassventil öffnet und den Stromkreis der Zelle unterbricht. Wenn die Zelltemperatur wieder auf ein normales Maß zurückgeht, kehrt die Verschlussplatte wieder in ihre ursprüngliche Form zurück und stellt den unterbrochenen Stromkreis wieder her.
  • Weiterhin schlägt die US 5,998,051 für ein – vorzugsweise irreversibles, aber auch reversibles – CID insbesondere den Einsatz von Memory-Metallen oder auch Bimetallen vor.
  • Bei beiden Lösungen aus dem Stand der Technik ergibt sich das Problem, dass die Energiespeicherzelle nach dem Auslösen des CID zwar noch entladen werden kann, gleichzeitig aber in Folge einer Überladung möglicherweise beschädigt wurde und trotzdem weiterhin betrieben werden kann, was in der Folge ein potentielles Sicherheitsrisiko darstellt.
  • Weiterhin wird bei diesen beiden Lösungen die Rücksetzung des CID und damit die Aufhebung der Stromunterbrechung durch den Rückgang der Temperatur bzw. des Drucks in der Energiespeicherzelle ausgelöst und ist damit durch einen Benutzer, beispielsweise das Wartungspersonal oder die Einsatzkräfte im Notfall, nur bedingt beeinflussbar. Dies kann dazu führen, dass etwa die Batterie eines verunglückten Elektrofahrzeugs nicht schnell genug entladen werden kann, um eine Rettung der Insassen oder eine Bergung des Fahrzeugs durchführen zu können.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Sicherheit im Betrieb und bei der Handhabung einer elektrochemischen Energiespeicherzelle mit einer Stromunterbrechungseinrichtung zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle weist eine Entladungseinrichtung auf, die eine vollständige oder teilweise Entladung der Energiespeicherzelle ermöglicht, wenn wenigstens ein zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehener elektrischer Anschluss der Energiespeicherzelle durch die Stromunterbrechungseinrichtung unterbrochen ist.
  • Eine vormals voll geladene Energiespeicherzelle wird hierbei vorzugsweise auf etwa 40–75% ihrer maximalen Kapazität entladen, da dieser Ladezustand ausreicht, um in relativ kurzer Zeit einen stabilen Zustand der Energiespeicherzelle zu erreichen und damit einen sicheren Transport und eine sichere Lagerung zu ermöglichen.
  • Die Stromunterbrechungseinrichtung ist erfindungsgemäß nicht reversibel in dem Sinne, dass die Unterbrechung eines zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehenen elektrischen Anschlusses wieder aufgehoben und damit der (potentiell gefährliche) Weiterbetrieb der Energiespeicherzelle ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Entladungseinrichtung stellt lediglich eine Möglichkeit zur vollständigen oder teilweisen Entladung der Energiespeicherzelle in einem Nicht-Betriebszustand zur Verfügung. Die Entladung über die Entladungseinrichtung kann vorzugsweise auch durchgeführt werden, wenn die Energiespeicherzelle aus dem von ihr betriebenen Gerät, beispielsweise einem Elektrofahrzeug, entnommen wurde.
  • Vorzugsweise kann die Entladungseinrichtung durch eine Bedienungsperson aktiviert und dadurch die Entladung ausgelöst werden. Der Zeitpunkt der Entladung kann hierbei frei gewählt werden; insbesondere muss die Bedienungsperson mit der Entladung nicht warten, bis beispielsweise der Druck oder die Temperatur in der Zelle unter einen bestimmten Wert gesunken ist.
  • Die Entladungseinrichtung kann vollständig innerhalb des Gehäuses oder auch zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses der Energiespeicherzelle angeordnet sein.
  • Als Beispiel für den letztgenannten Fall weist die Entladungseinrichtung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wenigstens einen von außerhalb der Energiespeicherzelle zugänglichen Sicherheitskontakt auf, welcher von den zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehenen elektrischen Anschlüssen der Energiespeicherzelle verschieden ist.
  • Die Energiespeicherzelle kann dann vorzugsweise über diesen Sicherheitskontakt in Verbindung mit einem weiteren Sicherheitskontakt oder auch mit einem elektrischen Anschluss der Batterie vollständig oder teilweise entladen werden, beispielsweise indem die beiden Kontakte bzw. Anschlüsse durch einen elektrischen Leiter oder eine geeignete Entladeschaltung außerhalb des Gehäuses der Energiespeicherzelle überbrückt werden. Der Sicherheitskontakt ist dabei im Inneren der Energiespeicherzelle zweckmäßigerweise mit einem Stromableiter verbunden.
  • Gleichzeitig wird ein unbeabsichtigter oder auch missbräuchlicher Weiterbetrieb der Energiespeicherzelle aufgrund der unterschiedlichen Kontakte (Sicherheitskontakte bzw. elektrische Anschlüsse) vermieden, welche vorzugsweise zusätzlich mit verschiedenen, nicht kompatiblen Steckern ausgestattet und/oder durch unterschiedliche Gestaltung, beispielsweise durch verschiedene Formen oder Farben, gekennzeichnet sind.
  • Falls die Stromunterbrechungseinrichtung durch eine Elektronik realisiert ist, kann die Stromunterbrechungseinrichtung auch einen speziellen Anschluss für den wenigstens einen Sicherheitskontakt bereitstellen, an welchen der Sicherheitskontakt dann im Inneren der Energiespeicherzelle angeschlossen ist. Durch eine entsprechende Schaltungsanordnung in der Stromunterbrechungseinrichtung kann dann beispielsweise auch sichergestellt sein, dass die Energiespeicherzelle nur nach Auslösung der Stromunterbrechungseinrichtung, nicht jedoch vorher, d. h. im normalen Betrieb der Energiespeicherzelle, über den Sicherheitskontakt entladen werden kann. Somit kann im normalen Betrieb auch keine unbeabsichtigte Entladung über den Sicherheitskontakt erfolgen, was die Betriebssicherheit weiter erhöht.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann über den Sicherheitskontakt wenigstens ein Betriebsparameter der Energiespeicherzelle gemessen werden. Unter einem Betriebsparameter wird hierbei ein Parameter der Energiespeicherzelle verstanden, welcher eine physikalische Momentangröße darstellt, insbesondere eine Spannung (beispielsweise eine Ruhespannung), ein Strom oder eine Temperatur. Diese Messung dient zur Überwachung und zur Diagnose des Betriebs und der Funktion der Energiespeicherzelle.
  • Der hierfür verwendete Sicherheitskontakt kann – gegebenenfalls sogar zeitgleich – zur Entladung der Energiespeicherzelle dienen oder auch ausschließlich zum Zweck der Messung des Betriebsparameters vorgesehen sein.
  • Die Messung des wenigstens einen Betriebsparameters kann über externe Sensoren, beispielsweise Stromsensoren, oder Messgeräte erfolgen oder auch über solche Sensoren oder Messgeräte, welche in der Energiespeicherzelle integriert sind. Im letzteren Fall wird der Sicherheitskontakt vorzugsweise nicht die physikalische Größe, welche den Betriebsparameter definiert, selbst bereitstellen, sondern eine Darstellung des Betriebsparameters in (beispielsweise digital) codierter Form. Der Betriebsparameter kann dann durch ein externes Datenverarbeitungsgerät mittels eines geeigneten Datenübertragungsprotokolls abgefragt werden.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann durch die Messung des wenigstens einen Betriebsparameters wenigstens ein Zustandsparameter der Energiespeicherzelle bestimmt werden. Unter einem Zustandsparameter wird hierbei eine physikalische Größe verstanden, welche den Zustand der Energiespeicherzelle beschreibt und möglicherweise nur indirekt, beispielsweise aus wenigstens einem Betriebsparameter, ableitbar ist, insbesondere ein Ladezustand, eine maximale Kapazität oder ein Innenwiderstand. Hierzu werden der oder die gemessenen Betriebsparameter in geeigneter Weise durch (grundsätzlich bekannte) Berechnungsvorschriften und/oder Algorithmen verarbeitet und/oder verknüpft, um den wenigstens einen Zustandsparameter zu bestimmen.
  • Die Bestimmung des wenigstens einen Zustandsparameters aus dem oder den gemessenen Betriebsparametern erfolgt vorzugsweise über ein externes Datenverarbeitungsgerät, wie beispielsweise ein mikroprozessorgesteuertes Messgerät oder einen Computer.
  • Zustandsparameter der oben genannten Art können der Bedienungsperson wichtige Hinweise zur Weiterbehandlung (beispielsweise Transport, Lagerung oder Recycling) der Energiespeicherzelle geben.
  • Sowohl die Messung eines Betriebsparameters als auch die Bestimmung eines Zustandsparameters kann durch in das von der Energiespeicherzelle versorgte Gerät, beispielsweise ein Elektrofahrzeug, oder in dessen Komponenten fest eingebaute Vorrichtungen erfolgen. Solche fest eingebauten Vorrichtungen können beispielsweise in einem Batteriemodul angeordnet sein, in das die Energiespeicherzelle gemeinsam mit weiteren Energiespeicherzellen integriert ist.
  • Die Messung oder Bestimmung der Betriebs- bzw. Zustandsparameter kann selbstverständlich auch bereits während des Betriebs der Energiespeicherzelle, d. h. unabhängig vom Auslösen der Stromunterbrechungseinrichtung, geschehen. Mit Hilfe der Betriebs- und/oder Zustandsparameter der Energiespeicherzelle kann beispielsweise ein Batteriemanagementsystem betrieben werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann über die Messung des wenigstens einen Betriebsparameters und/oder die Bestimmung des wenigstens einen Zustandsparameters die Einhaltung eines vorgegebenen Bereichs für wenigstens einen Betriebsparameter oder Zustandsparameter der Energiespeicherzelle überprüft werden. Beispiele hierfür sind die Einhaltung einer zulässigen Lagertemperatur oder einer für den Transport zulässigen Ruhespannung.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die genannten vorgegebenen Parameterbereiche in der Praxis vom Typ der Energiespeicherzelle (beispielsweise definiert durch den Hersteller, die Modellbezeichnung und die Chargennummer) abhängen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Einhaltung des jeweiligen Parameterbereichs individuell für den Typ der Energiespeicherzelle zu überprüfen.
  • Zu diesem Zweck kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Typ der Energiespeicherzelle durch den wenigstens einen gemessenen Betriebsparameter und/oder den wenigstens einen bestimmten Zustandsparameter ermittelt werden, beispielsweise durch einen Vergleich mit einer in einem externen Messgerät hinterlegten Tabelle mit für die vorliegende Anwendung in Frage kommenden Typen von Energiespeicherzellen.
  • Hierbei kann als Unterscheidungskriterium beispielsweise die maximale Kapazität der Energiespeicherzelle verwendet werden, wobei sich die möglichen Bereiche des verwendeten Unterscheidungskriteriums für die einzelnen Typen nicht überlappen dürfen und sogar größere Abstände zueinander aufweisen sollten, um eine eindeutige Zuordnung der vorliegenden Energiespeicherzelle zu einem der bekannten Typen zu gewährleisten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Energiespeicherzelle Datenübertragungsmittel zur Übertragung von Daten auf, welche den Typ der Energiespeicherzelle in codierter Form enthalten. Der Typ der Energiespeicherzelle kann dann aus diesen Daten ermittelt werden. Die Übermittlung des codierten Typs der Energiespeicherzelle kann beispielsweise, ähnlich wie oben für die Übermittlung eines codierten Parameterwertes, über einen Sicherheitskontakt, vorzugsweise in digitaler Form, erfolgen.
  • In einer weiteren Ausführungsform verwenden die genannten Datenübertragungsmittel eine RFID-Technologie (RFID = Radio Frequency Identification). Hierbei weist die Energiespeicherzelle ein sogenanntes RFID-Tag auf, in welchem ihr Typ in codierter Form gespeichert ist. Das RFID-Tag kann durch ein externes RFID-Lesegerät drahtlos aktiviert und/oder ausgelesen werden. Durch die bereits seit langem eingesetzte RFID-Technologie wird eine zuverlässige und schnelle Übertragung und Erkennung des Typs der Energiespeicherzelle sichergestellt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Entladungseinrichtung wenigstens einen Sicherheitskontakt im Inneren der Energiespeicherzelle auf. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass für den Sicherheitskontakt kein weiterer Durchbruch durch das Gehäuse der Energiespeicherzelle mit den damit einhergehenden möglichen Abdichtungs- und/oder Korrosionsproblemen geschaffen werden muss.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine vollständige oder teilweise Entladung der Energiespeicherzelle mittels des wenigstens einen Sicherheitskontaktes im Inneren der Energiespeicherzelle von außerhalb der Energiespeicherzelle ausgelöst werden. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass der Sicherheitskontakt mit einem weiteren Sicherheitskontakt, einem Ableiter oder einer sonstigen Komponente im Inneren der Energiespeicherzelle elektrisch leitend in Berührung gebracht und dadurch die Entladung ausgelöst wird.
  • Die bei der Entladung frei werdende Energie wird vorzugsweise in Wärme umgewandelt, welche durch das Gehäuse der Energiespeicherzelle hindurch mittels ohnehin vorhandener Kühleinrichtungen abgeführt wird. Da die Entladung der Energiespeicherzelle nach dem Auslösen der Stromunterbrechungseinrichtung im Allgemeinen im ausgebauten Zustand der Energiespeicherzelle durchgeführt wird, kann die Energiespeicherzelle dann auch mit weiteren, leistungsfähigeren Kühleinrichtungen gekoppelt werden.
  • Es ist jedoch auch denkbar, die bei der Entladung entstehende Energie in eine andere Energieform als Wärme umzuwandeln – beispielsweise in eine energiereiche Mikrowellenstrahlung oder durch Induktion in ein zeitlich veränderliches Magnetfeld – und sie in dieser Form aus dem Gehäuse der Energiespeicherzelle abzuführen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Auslösung der Entladung mittels des wenigstens einen Sicherheitskontaktes im Inneren der Energiespeicherzelle durch einen Druck von außerhalb der Energiespeicherzelle auf eine oder mehrere Stellen der Energiespeicherzelle.
  • Hierzu kann die Verwendung eines Werkzeugs wie einer speziellen Zange vorgesehen sein, durch welches vorzugsweise ein Druck einer genau definierten Stärke auf eine Fläche einer genau definierten Form auf das Gehäuse der Energiespeicherzelle aufgebracht werden kann. Dadurch wird vermieden, dass die Entladung durch unsachgemäße Handhabung der Energiespeicherzelle, beispielsweise beim Transport oder bei der Montage, unbeabsichtigt ausgelöst wird.
  • Besonders einfach lässt sich diese Ausführungsform verwirklichen, wenn die Energiespeicherzelle ohnehin eine flexible Hülle aufweist (beispielsweise eine sogenannte Pouch- oder Coffee-Bag-Zelle). Falls die Energiespeicherzelle dagegen eine starre Hülle aufweist, lassen sich an bestimmten Stellen des Gehäuses Durchbrüche vorsehen, welche mit einem flexiblen Material wieder verschlossen sind, auf welches dann der Druck von außen zur Auslösung der Entladung aufgebracht wird.
  • Weiterhin ist es denkbar, die Entladung auch auf andere Art und Weise auszulösen, beispielsweise durch bestimmte Bewegungen der Energiespeicherzelle wie eine bestimmte Biegung, Streckung, Stauchung oder Torsion, sowie auf nicht-mechanische Art, beispielsweise durch spezielle durch Funkwellen, Schallwellen oder Induktion übertragene Signale.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Entladungseinrichtung Mittel zur Vermeidung eines Kurzschlusses bei der Entladung, insbesondere wenigstens einen Widerstand, auf. Durch diese Mittel kann auch die Umwandlung der entladenen Energie in eine andere Energieform wie Wärme zum Zweck ihrer Abführung vorgenommen werden.
  • Insbesondere, wenn die Entladung durch einen Druck von außen auf einen Sicherheitskontakt im Inneren der Energiespeicherzelle ausgelöst wird, ist es weiterhin zweckmäßig, im Inneren der Energiespeicherzelle Mittel vorzusehen, die die Elektroden-/Separatoren-Anordnung vor diesem Druck schützen, beispielsweise eine mechanische Verstärkung um diese Anordnung herum, um einen Kurzschluss im Inneren der Energiespeicherzelle zu verhindern.
  • Mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle sind in den nachfolgenden, teilweise schematisierten Figuren dargestellt. Dabei zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle mit von außen zugänglichen Sicherheitskontakten;
  • 2 eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle mit Sicherheitskontakten im Inneren.
  • 1 zeigt eine sogenannte Pouch-Zelle 1. Dies ist eine flache, rechteckförmige Akkumulatorzelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle, mit wechselweise übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorblättern, die in eine flexible Hülle 2 aus einem Metall-Kunststoff-Verbundmaterial eingeschweißt sind.
  • Die Aufladung und Entladung im Betrieb der Zelle erfolgt über den Minuspol 3 und den Pluspol 4, welche als dünne metallische Folien an einer Stirnseite der Zelle 1 aus der Hülle 2 herausgeführt sind.
  • Die Pouch-Zelle 1 ist dafür vorgesehen, mit einer Vielzahl von weiteren, gleichartigen Zellen und zusammen mit weiteren Einrichtungen wie einem Kühlsystem, einem Batteriemanagementsystem und einem stabilen Gehäuse zum mechanischen Schutz der Zellen zu einem Batteriemodul zusammengeschaltet zu werden. Dabei werden eine Anzahl von Zellen zur Vervielfachung der Zellspannung zu einem Zellstrang in Reihe geschaltet und weiterhin mehrere solcher Zellstränge zur Erhöhung der Batterieleistung parallel geschaltet.
  • Die Pouch-Zelle 1 enthält in ihrem Inneren (nicht dargestellt) ein Current Interrupt Device (CID), welches bei einer Überladung der Zelle 1 die Verbindung zwischen der Elektrodenanordnung und den Polen 3, 4 unterbricht.
  • Weiterhin sind an einer Längsseite der Pouch-Zelle 1 Sicherheitskontakte 5, 6 ebenfalls in Form von dünnen metallischen Folien aus der Hülle 2 herausgeführt. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Sicherheitskontakte 5, 6 in anderer Form, beispielsweise an einer anderen Seite oder auch an verschiedenen Seiten der Zelle, anzuordnen.
  • Wenn das CID auslöst und damit kein Stromfluss mehr über die Pole 3, 4 möglich ist, kann die Zelle 1 weiterhin über die Sicherheitskontakte 5, 6 entladen werden. Die dabei frei werdende elektrische Energie kann über einen Widerstand in Wärme umgewandelt und über das im Batteriemodul vorhandene Kühlsystem abgeführt werden. Alternativ kann die Zelle 1 auch vor der Entladung aus dem Batteriemodul ausgebaut werden.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pouch-Zelle 1 mit Sicherheitskontakten im Inneren der Zelle (nicht dargestellt). Die Entladung wird in diesem Fall durch einen gleichzeitigen Druck auf zwei kreisförmige Bereiche 7, 8 in der Hülle 2 ausgelöst. Unter jedem der Bereiche 7, 8 befindet sich im Zellinneren ein Sicherheitskontakt in Form eines elektrischen Schalters, der durch Druck auf den jeweiligen Bereich 7, 8 geschlossen wird. In den Bereichen 7, 8 ist die Hülle 2 dünner und damit druckempfindlicher ausgeführt als in den übrigen Bereichen, um den auf sie aufgebrachten Druck gezielt auf die darunter liegenden Sicherheitskontakte zu übertragen. Die beiden Sicherheitskontakte sind in Reihe geschaltet, damit nur ein gleichzeitiger Druck auf beide Sicherheitskontakte einen Stromkreis im Zellinneren schließt, der dort zu einer Entladung der Zelle 1 führt.
  • Die beiden Bereiche 7, 8 sind zweckmäßigerweise so klein, dass die darunter liegenden Sicherheitskontakte beim manuellen Hantieren mit der Zelle 1 nicht versehentlich mit den Fingern ausgelöst werden können. Es ist vielmehr vorgesehen, die Sicherheitskontakte durch den gleichzeitigen Druck mit zwei dünnen Stiften oder mit einer speziellen Zange auf die Bereiche 7, 8 auszulösen.
  • Da in einem fertig bestückten Batteriemodul die einzelnen Zellen 1 in Platz sparender Weise flächig und dicht aneinander anliegend angeordnet sind, ist es in der Ausführungsform gemäß 2 auch schon rein mechanisch ausgeschlossen, dass eine Entladung der Zelle 1 über die Sicherheitskontakte im eingebauten Zustand der Zelle 1 erfolgt. Dies ist vorteilhaft, da eine Entladung innerhalb des Batteriemoduls bei Zellen mit einer hohen Energiedichte zu Problemen mit der Wärmeabführung führen könnte, falls das batteriemoduleigene Kühlsystem damit über ordert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Pouch-Zelle
    2
    Hülle
    3
    Minuspol
    4
    Pluspol
    5, 6
    Sicherheitskontakte
    7, 8
    Kreisförmige Bereiche in der Hülle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2007/0275298 A1 [0014]
    • US 5998051 [0015]

Claims (14)

  1. Elektrochemische Energiespeicherzelle mit einer Stromunterbrechungseinrichtung zur Unterbrechung wenigstens eines zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehenen elektrischen Anschlusses der Energiespeicherzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle eine Entladungseinrichtung aufweist, die eine vollständige oder teilweise Entladung der Energiespeicherzelle ermöglicht, wenn wenigstens ein zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehener elektrischer Anschluss der Energiespeicherzelle durch die Stromunterbrechungseinrichtung unterbrochen ist.
  2. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungseinrichtung wenigstens einen von außerhalb der Energiespeicherzelle zugänglichen Sicherheitskontakt aufweist, welcher von den zum Betrieb der Energiespeicherzelle vorgesehenen elektrischen Anschlüssen der Energiespeicherzelle verschieden ist.
  3. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle über den Sicherheitskontakt vollständig oder teilweise entladen werden kann.
  4. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass über den Sicherheitskontakt wenigstens ein Betriebsparameter der Energiespeicherzelle, insbesondere eine Spannung, eine Ruhespannung, ein Strom oder eine Temperatur, gemessen werden kann.
  5. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Messung des wenigstens einen Betriebsparameters wenigstens ein Zustandsparameter der Energiespeicherzelle, insbesondere ein Ladezustand, eine maximale Kapazität oder ein Innenwiderstand, bestimmt werden kann.
  6. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Messung des wenigstens einen Betriebsparameters und/oder die Bestimmung des wenigstens einen Zustandsparameters die Einhaltung eines vorgegebenen Bereichs für den wenigstens einen Betriebsparameter oder Zustandsparameter der Energiespeicherzelle überprüft werden kann.
  7. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der für den wenigstens einen Betriebsparameter oder Zustandsparameter vorgegebene Bereich vom Typ der Energiespeicherzelle abhängt.
  8. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Typ der Energiespeicherzelle durch den wenigstens einen gemessenen Betriebsparameter und/oder den wenigstens einen bestimmten Zustandsparameter ermittelt werden kann.
  9. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherzelle Datenübertragungsmittel zur Übertragung von Daten aufweist, welche den Typ der Energiespeicherzelle in codierter Form enthalten, und dass der Typ der Energiespeicherzelle aus diesen Daten ermittelt werden kann.
  10. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungsmittel eine RFID-Technologie verwenden.
  11. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungseinrichtung wenigstens einen Sicherheitskontakt im Inneren der Energiespeicherzelle aufweist.
  12. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige oder teilweise Entladung der Energiespeicherzelle mittels des wenigstens einen Sicherheitskontaktes im Inneren der Energiespeicherzelle von außerhalb der Energiespeicherzelle ausgelöst werden kann.
  13. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung der Entladung mittels des wenigstens einen Sicherheitskontaktes im Inneren der Energiespeicherzelle durch einen Druck von außerhalb der Energiespeicherzelle auf eine oder mehrere Stellen der Energiespeicherzelle erfolgt.
  14. Elektrochemische Energiespeicherzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungseinrichtung Mittel zur Vermeidung eines Kurzschlusses bei der Entladung, insbesondere wenigstens einen Widerstand, aufweist.
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