DE102011082560A1

DE102011082560A1 - Batteriezelle, Batteriezellenmodul, Batterie, Verfahren zur Entladung einer Batteriezelle und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011082560A1
Application number: DE102011082560A
Authority: DE
Inventors: Matthias Straub; Ulrich Zimmermann
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Es wird eine Batteriezelle und insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle beschrieben, welche wenigstens eine Überstromschutzeinrichtung (21) umfasst, die in einem Strompfad (20) der Batteriezelle angeordnet ist, der zur elektrischen Verbindung der Batteriezelle mit einem externen Anschluss vorgesehenen ist. Bezüglich der Überstromschutzeinrichtung (21) ist wenigstens ein paralleler elektrischer Pfad (30) angeordnet, dessen elektrischer Widerstand größer ist als der elektrische Widerstand der Überstromschutzeinrichtung (21). Ferner wird ein Verfahren zur Entladung einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, beschrieben, sowie eine Batterie oder ein Batteriezellenmodul, und ein Kraftfahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, ein mehrere Batteriezellen umfassendes Batteriezellenmodul, eine Batterie, ein Verfahren zur Entladung einer Batteriezelle sowie ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen und mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. An diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Von hohen Stromflüssen zur Batteriezelle beziehungsweise von der Batteriezelle geht ein erhebliches Gefährdungspotenzial aus. Ein Ansatz, diese Gefährdung zu minimieren, ist der Einsatz einer Überstromschutzeinrichtung, wie zum Beispiel einer Schmelzsicherung an einem der Terminals. Eine solche Überstromschutzeinrichtung löst bei zu hoher Strombelastung aus und unterbricht somit den Stromkreis. Damit ist das galvanische Element elektrisch von seinen Anschlüssen getrennt.
Aus der EP 0 313 405 ist eine Schmelzsicherung für Batteriezellen bekannt, welche bei Überschreitung eines bestimmten Strom-Grenzwertes schmilzt und dadurch den Strompfad zwischen Anschluss und galvanischem Element trennt.
Bei Auslösung einer solchen Überstromschutzeinrichtung kann jedoch die Batteriezelle noch komplett geladen sein und somit ein Gefährdungspotenzial enthalten. Diese geladene Zelle muss jedoch aufgrund des Defekts entsorgt werden. Eine Entsorgung beziehungsweise die Handhabung bei der Entsorgung ist aufgrund des potenziell hohen und gegebenenfalls unbekannten Ladungszustandes der Batteriezelle mit Risiken verbunden. Eine Entladung der Batteriezelle ist jedoch aufgrund des unterbrochenen Strompfades zwischen dem Anschluss der Batteriezelle und dem galvanischen Element nicht mehr realisierbar.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle und insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche wenigstens eine Überstromschutzeinrichtung umfasst, die in einem Strompfad der Batteriezelle angeordnet ist, der zur elektrischen Verbindung der Batteriezelle mit einem externen Anschluss vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bezüglich der Überstromschutzeinrichtung wenigstens ein paralleler elektrischer Pfad angeordnet ist, dessen elektrischer Widerstand größer ist als der elektrische Widerstand der Überstromschutzeinrichtung. Der Strompfad, in dem die Überstromschutzeinrichtung angeordnet ist, führt zu einem Batteriezellenanschluss, wie zum Beispiel einem Batteriezellen-Pol, wobei der Strompfad innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses der Batteriezelle angeordnet sein kann. Die darin angeordnete Überstromschutzeinrichtung löst bei einem sogenannten Bemessungsstrom aus und trennt somit den Strompfad. Das heißt, dass der Bemessungsstrom der Strom ist, der zur Auslösung der Überstromschutzeinrichtung führt. Der erfindungsgemäße parallele elektrische Pfad ist parallel zur Überstromschutzeinrichtung angeordnet. Dadurch, dass der parallele elektrische Pfad einen elektrischen Widerstand aufweist, der größer ist als der elektrische Widerstand der Überstromschutzeinrichtung, fließt bei Stromfluss zur Batteriezelle beziehungsweise von der Batteriezelle mehr Strom über die Überstromschutzeinrichtung als über den parallelen elektrischen Pfad. Dies führt bei ausreichender Stromstärke in Abhängigkeit von der Auslösecharakteristik der Überstromschutzeinrichtung zur Auslösung. Bei Verwendung einer Schmelzsicherung als Überstromschutzeinrichtung führt der Stromfluss zu einer Erwärmung und einem dadurch bedingten Schmelzvorgang. Dadurch wird der Strompfad der Überstromschutzeinrichtung getrennt.
Durch den relativ hohen elektrischen Widerstand des parallelen elektrischen Pfades wird nach Auslösung der Überstromschutzeinrichtung ein relativ geringer Strom durch den parallelen elektrischen Pfad geleitet. Somit wird die Batteriezelle langsam entladen, ohne dass es zu einer gefährlichen Erwärmung der Batteriezelle beziehungsweise von daran angeschlossenen elektrischen Leitern kommen kann. Dadurch lässt sich die Batteriezelle langsam in einen sicheren Zustand überführen.
Vorzugsweise umfasst der parallele elektrische Pfad eine Widerstandseinheit. Eine solche Widerstandseinheit ist ein sogenannter Entladewiderstand, der einen hochohmigen elektrischen Pfad ausbildet. Durch den hohen Widerstand des elektrischen Pfades können keine hohen Ströme mehr von der Batteriezelle an ihre Peripherie geleitet werden. Der hochohmige elektrische Widerstand kann zum Beispiel durch einen hochohmigen Stahldraht realisiert werden, der an ein Terminal der Batteriezelle geschweißt oder mittels Crimpen verbunden ist. Der Widerstand des parallelen elektrischen Pfades kann zum Beispiel 1 Ω bis 500 Ω betragen, in Abhängigkeit von der Ladung der Batteriezelle, insbesondere 50 Ω bis 200 Ω. Es hat sich herausgestellt, dass für die meisten Ladungszustände der Batteriezelle ein Widerstand von 100 Ω günstig ist. Damit lässt sich bei einer auf 4 Volt geladenen Zelle mit einer Ladung von 20 Ah nach 20 Tagen durch einen Entladestrom von 40 mA beziehungsweise einer Verlustleistung von 160 mW eine vollständige Entladung realisieren. Die dabei freigesetzte Wärme ist ungefährlich.
In einer weiteren Ausführung einer Entladung kann eine mit 60 Ah geladene Batteriezelle innerhalb einer Entladedauer von 20 Tagen und einer anliegenden Spannung von 4 Volt mittels eines Widerstandes des parallelen elektrischen Pfades von 32 Ω mit einem Entladestrom von 0,125 A entladen werden. Günstige Stromstärken für den Entladestrom betragen vorzugsweise zwischen 10 mA und 1 A. Damit lassen sich die meisten Batteriezellen mit einer Ladung von 5 Ah bis 60 Ah in einer Zeitspanne bis zu 20 Tagen entladen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Strompfad der Batteriezelle zumindest abschnittsweise durch ein Batteriezellenterminal ausgebildet ist und die Überstromschutzeinrichtung an oder in dem Terminal angeordnet ist. Das Terminal dient dabei zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle an ein Netz oder an einem einzelnen externen Anschluss. Somit ist der parallele elektrische Pfad bei Entladung der Batteriezelle in Stromflussrichtung noch vor einem der Pole der Batteriezelle angeordnet, nämlich parallel zum jeweiligen Terminal beziehungsweise parallel zu einem Terminal-Abschnitt.
In weiterer bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Überstromschutzeinrichtung eine Schmelzsicherung ist.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Batteriezelle zwischen Polen eine Überladesicherung umfasst, mit der bei Detektierung eines Fehlers ein Kurzschlussstrom zwischen den Polen der Batteriezelle erzeugbar ist, der größer ist als der Bemessungsstrom der Überstromschutzeinrichtung. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Batteriezelle auch eine Detektierungseinrichtung aufweisen, die gegebenenfalls Bestandteil eines Batterie-Management-Systems sein kann. Beim Auftreten eines Fehlers, zum Beispiel beim Laden der Batteriezelle, kann die Überladesicherung ausgelöst werden, die damit die Pole der Batteriezelle kurzschließt. Somit wird bei ausreichender Ladung der Batteriezelle ein Kurzschlussstrom über der Überstromschutzeinrichtung realisiert, der zur Auslösung der Überstromschutzeinrichtung führt. Dadurch wird der Kurzschlussstrom sofort wieder unterbrochen. Außerdem wird auch der fehlerbehaftete Ladungsprozess unterbrochen. Über den erfindungsgemäß vorgesehenen parallelen elektrischen Pfad allerdings erfolgt weiterhin ein Stromfluss zwecks Entladung oder zumindest Minderung der Ladung der Batteriezelle.
In weiterer bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass im parallelen elektrischen Pfad eine Spannungsmesseinrichtung angeordnet ist. Mit dieser Spannungsmesseinrichtung ist die Spannung an der Batteriezelle messbar und feststellbar, welche Restspannung nach welcher Zeitdauer nach Auslösung der Überstromschutzeinrichtung noch an der Batteriezelle vorhanden ist. Somit ist auch der Ladungszustand kontrollierbar und feststellbar, ob die Entladung ausreichend tief erfolgte, so dass die Batteriezelle einer weiteren Bearbeitung oder Entsorgung zugeführt werden kann.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Batteriezelle mit dem parallelen elektrischen Pfad in Reihe geschaltet eine Temperatursicherung aufweist, die einen Stromfluss über den parallelen elektrischen Pfad erst unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur erlaubt. Die ausschlaggebende Grenztemperatur kann dabei zum Beispiel die Temperatur eines Terminals sein, an dem der elektrische Pfad realisiert ist, oder auch die Temperatur im Inneren des Gehäuses der Batteriezelle. Die Temperatursicherung kann dabei zum Beispiel ein Bimetall sein, welches den parallelen elektrischen Pfad nur dann schließt, wenn die Temperatur des Terminals ausreichend niedrig ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegt in der Vermeidung einer zusätzlichen Erwärmung durch die Bestromung des parallelen elektrischen Pfades unter kritischen Temperaturverhältnissen, die bei einer Auslösung der Überstromschutzeinrichtung für gewöhnlich vorliegen.
Es wird weiterhin erfindungsgemäß eine Batterie oder ein Batteriezellenmodul zur Verfügung gestellt, welches mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst.
Eine solche Batterie oder ein solches Batteriezellenmodul kann dabei auch eine Detektierungseinrichtung zur Erkennung eines Fehlers beim Laden der Batteriezellen umfassen, welches somit mehreren Batteriezellen der Batterie beziehungsweise des Batteriezellenmoduls zugeordnet wäre.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Entladung einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, bei dem bei einer Überlastsituation oder einem Kurzschluss an der Batteriezelle eine Überstromschutzeinrichtung einen Strompfad einer Batteriezelle, der zur elektrischen Verbindung der Batteriezelle mit einem externen Anschluss vorgesehen ist, unterbricht, und ein Stromfluss über einen parallel zur Überstromschutzeinrichtung angeordneten elektrischen Pfad realisiert wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin dadurch ausgestaltet sein, dass eine Schließung einer Überladesicherung und/oder eine Detektierung eines Fehlers beim Ladungsprozess erfolgt, sowie gegebenenfalls eine Stromführung über den elektrischen Pfad nur bei Erfassung einer Temperatur eines Terminals oder auch des Innenraums des Batteriezellengehäuses beziehungsweise des galvanischen Elements der Batteriezelle erfolgt, die unterhalb einer bestimmten zu definierenden Grenztemperatur liegt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle und/oder ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul oder eine erfindungsgemäße Batterie aufweist, wobei die Batteriezelle beziehungsweise das Batteriezellenmodul oder die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild für einen Bereich der erfindungsgemäßen Batteriezelle, und
2 ein Terminal der Batteriezelle.
Wie aus 1 hervorgeht, umfasst die Batteriezelle ein galvanisches Element 10 sowie damit gekoppelt Netzanschlüsse beziehungsweise Pole 11. Zwischen der galvanischen Zelle 10 und einem der Netzanschlüsse 11, in diesem Fall dem Pluspol, ist in einem Strompfad 20 eine Überstromschutzeinrichtung 21 angeordnet, die zum Beispiel eine Schmelzsicherung sein kann. Diese Überstromschutzeinrichtung 21 bewirkt eine Auslösung beziehungsweise ein Schmelzen, insofern die über den Strompfad 20 geleiteten Ströme größer sind als der Bemessungsstrom der Überstromschutzeinrichtung 21. In diesem Fall trennt die Überstromschutzeinrichtung 21 den Strompfad 20, so dass das galvanische Element 10 vom Pluspol getrennt ist und somit keine elektrische Verbindung mehr zur Umgebung, wie zum Beispiel zu einem Netz, vorhanden ist. Damit wird erreicht, dass keine gefährlich hohen Ströme von der Batteriezelle abgeleitet werden oder dieser zugeleitet werden können.
Um jedoch die Batteriezelle, die gegebenenfalls noch einen hohen Ladungszustand aufweisen kann, entladen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, parallel zum Strompfad 20 einen parallelen elektrischen Pfad 30 anzuordnen, der, wie in 1 dargestellt, eine Widerstandseinheit 31 aufweist. Der elektrische Widerstand des parallelen elektrischen Pfades 30 ist dabei größer als der elektrische Widerstand der Überstromschutzeinrichtung 21.
Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Anordnung einer extra körperlich realisierten Widerstandseinheit 31 im parallelen elektrischen Pfad 30 eingeschränkt, sondern es kann der parallele elektrische Pfad aufgrund seiner Leitungseigenschaften bereits selbst einen relativ hohen elektrischen Widerstand aufweisen.
Aufgrund der Anordnung des parallelen elektrischen Pfades 30 sowie der Widerstandseinheit 31 ist es selbst bei ausgelöster Überstromschutzeinrichtung 21 möglich, einen relativ geringen Stromfluss vom galvanischen Element 10 zum Netzanschluss 11 zu realisieren und damit die Batteriezelle langsam zu entladen. Das heißt, mittels des parallelen elektrischen Pfades 31 lässt sich relativ gefahrfrei der Ladungszustand der Batteriezelle derart verringern, dass die Batteriezelle sicher einer weiteren Handhabung oder auch einer Entsorgung zugeführt werden kann.
Dabei kann die Batteriezelle außerdem mit einer Verbindungsleitung 40 zwischen den Netzanschlüssen beziehungsweise Polen 11 ausgestattet sein, in der eine Überladesicherung 41 angeordnet ist. Diese Überladesicherung 41 löst bei Detektierung eines Fehlers, zum Beispiel während eines Ladeprozesses der Batterie, aus und schließt die Verbindung zwischen den Netzanschlüssen beziehungsweise Polen 11, so dass ein Kurzschlussstrom zwischen den Netzanschlüssen 11 existiert. Dieser Kurzschlussstrom ist, bei ausreichend hoher Ladung der Batteriezelle, so groß, dass er ebenfalls zu einer Auslösung der Überstromschutzeinrichtung 21 führt. Das heißt, dass die Batteriezelle aufgrund der Anordnung der Überladesicherung 41 bei Detektierung eines Fehlers ebenfalls automatisch vom Netz beziehungsweise von externen Anschlüssen getrennt wird. Auch in diesem Fall ist die Batteriezelle einer Entsorgung oder einer weiteren Untersuchung zuzuführen. Um Gefährdungen durch den Ladungszustand der Batterie auszuschließen, kann die Batteriezelle, wie oben erwähnt, langsam und sicher durch den parallelen elektrischen Pfad 31 beziehungsweise durch die darin angeordnete Widerstandseinheit 31 entladen werden.
Um den Ladungszustand der Batterie messen zu können, kann im parallelen elektrischen Pfad 30 eine Spannungsmesseinrichtung 50 angeordnet sein.
Aus 2 ist eine bevorzugte, kompakte Bauweise des Strompfades 20 sowie des parallelen elektrischen Pfades 30 ersichtlich. Der Strompfad 20 wird dabei durch ein Terminal 22 der Batteriezelle realisiert, welches eine Querschnittsverengung 23 aufweist, die die Funktion der Überstromschutzeinrichtung 21 hat. Das heißt, dass der Querschnitt des Terminals 22 im Bereich der Querschnittsverengung 23 so gering ist, dass bei Belastung des Terminals 22 mit einem Strom ab einer bestimmten Größe im Bereich der Querschnittsverengung 23 ein Schmelzprozess einsetzt, der das Terminal 22 durchtrennt.
Der erfindungsgemäße parallele elektrische Pfad 30 kann durch den am Terminal 22 dargestellten Draht realisiert sein, in dem gegebenenfalls die in 2 dargestellte Widerstandseinheit 31 angeordnet sein kann. Bei einer Unterbrechung des Terminals 22 im Bereich der Querschnittsverengung 23 kann ein Stromfluss weiterhin über den parallelen elektrischen Pfad 30 beziehungsweise die darin angeordnete Widerstandseinheit 31 realisiert werden, so dass ein schwacher Strom über den parallelen elektrischen Pfad 30 über eine relativ lange Zeitdauer eine sichere Entladung der Batteriezelle bewirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0313405 [0005]

Claims

Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend wenigstens eine Überstromschutzeinrichtung (21), die in einem Strompfad (20) der Batteriezelle angeordnet ist, der zur elektrischen Verbindung der Batteriezelle mit einem externen Anschluss vorgesehenen ist, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Überstromschutzeinrichtung (21) wenigstens ein paralleler elektrischer Pfad (30) angeordnet ist, dessen elektrischer Widerstand größer ist als der elektrische Widerstand der Überstromschutzeinrichtung (21).
Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der der parallele elektrische Pfad (30) eine Widerstandseinheit (31) umfasst.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Strompfad (20) zumindest abschnittsweise durch ein Terminal (22) der Batteriezelle ausgebildet ist und die Überstromschutzeinrichtung (21) an oder in dem Terminal (22) angeordnet ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Überstromschutzeinrichtung (21) eine Schmelzsicherung ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zwischen Polen (11) eine Überladesicherung (41) umfasst, mit der bei Detektierung eines Fehlers ein Kurzschlussstrom zwischen den Polen (11) der Batteriezelle erzeugbar ist, der größer ist als der Bemessungsstrom der Überstromschutzeinrichtung (21).
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im parallelen elektrischen Pfad (30) eine Spannungsmesseinrichtung (50) angeordnet ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine mit dem parallelen elektrischen Pfad (30) in Reihe geschaltete Temperatursicherung aufweist, die einen Stromfluss über den parallelen elektrischen Pfad (30) erst unterhalb einer bestimmten Grenztemperatur erlaubt.
Batterie oder Batteriezellenmodul, umfassend mehrere der Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Entladung einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, bei dem bei einer Überlastsituation oder einem Kurzschluss an der Batteriezelle eine Überstromschutzeinrichtung (21) einen Strompfad (20) an der Batteriezelle, der zur elektrischen Verbindung der Batteriezelle mit einem externen Anschluss vorgesehenen ist, unterbricht, und ein Stromfluss über einen parallel zur Überstromschutzeinrichtung (21) angeordneten elektrischen Pfad (30) realisiert wird.
Kraftfahrzeug, insbesondere elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder ein Batteriezellenmodul oder eine Batterie nach Anspruch 8, wobei die Batteriezelle bzw. das Batteriezellenmodul oder die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.