DE102012200868A1 - Battery cell for motor car, has overvoltage protection device with deformable membrane which deforms so that contact points electrically contact the contact pin by overpressure in housing interior for short-circuiting the battery cell - Google Patents

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Stephan Leuthner
Ralf Angerbauer
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The battery cell has housing (1) having overvoltage protection device with contact pin (4) which is conductively connected to first electrode of battery cell. A deformable membrane (2) is electrically connected to second electrode of battery cell and deforms so that contact points (5) formed on membrane electrically contact the contact pin by overpressure in the housing interior, for short-circuiting the battery cell. A fuse (3) trips in a short circuit of the battery cell for interrupting the circuit in the cell.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Überspannungsschutzvorrichtung sowie eine Batterie bzw. ein Kraftfahrzeug umfassend eine solche Batteriezelle.The present invention relates to a battery cell with an overvoltage protection device and a battery or a motor vehicle comprising such a battery cell.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, z. B. in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, z. B. in Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, eg. B. in wind turbines, in motor vehicles, z. B. in hybrid or electric vehicles, as well as in the consumer sector, for. As in laptops and mobile phones, more new battery systems will be used, are placed on the very high demands in terms of reliability, performance and service life.

Batteriezellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), einen Separator, der die beiden Elektroden voneinander trennt und eine Elektrolytkomponente. Da die elektrischen bzw. elektrochemischen Komponenten der Batteriezelle gegenüber Feuchtigkeit empfindlich sein können und die Komponenten vor Umwelteinflüssen geschützt werden müssen, sind die Komponenten in der Regel in einem Gehäuse angeordnet, welches die Komponenten der Batteriezelle von der Umwelt möglichst vollständig separiert. Des Weiteren weist eine Batteriezelle zwei von außerhalb des Gehäuses zugängliche Batteriepole auf, über die die Elektroden der Batteriezelle mit einem externen Stromkreis leitend verbindbar sind, wobei jeder Pol leitend mit jeweils einer der Elektroden verbunden ist. In der Praxis wird für Batteriezellen und insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen ein im Wesentlichen stabiles Gehäuse verwendet, bevorzugt mit einem metallischen Anteil, wobei die Metallfolie bzw. das Metallblech die eigentliche Sperre gegen Luftfeuchte oder Umwelteinflüsse darstellt.Battery cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), a separator which separates the two electrodes from each other and an electrolyte component. Since the electrical or electrochemical components of the battery cell can be sensitive to moisture and the components must be protected from environmental influences, the components are usually arranged in a housing which separates the components of the battery cell from the environment as completely as possible. Furthermore, a battery cell has two battery poles which are accessible from outside the housing and via which the electrodes of the battery cell can be conductively connected to an external electric circuit, each pole being conductively connected to one of the electrodes. In practice, a substantially stable housing is used for battery cells and in particular for lithium-ion cells, preferably with a metallic component, wherein the metal foil or the metal sheet represents the actual barrier against atmospheric moisture or environmental influences.

Kommt es in einer solchen Batteriezelle zu einer Fehlfunktion, beispielsweise durch einen Unfall oder eine Überladung, so kann es in der Batteriezelle zu einer Überhitzung kommen. Damit eine solche Fehlfunktion nicht zu einem sogenannten „thermal runaway“ in der betroffenen Batteriezelle und gegebenenfalls auch in umliegenden Batteriezellen führt, kann am Gehäuse der Batteriezelle eine Überspannungsschutzvorrichtung (engl. auch „overcharge safety device“ oder OSD) vorgesehen sein. If a malfunction occurs in such a battery cell, for example as a result of an accident or overcharging, overheating may occur in the battery cell. In order that such a malfunction does not lead to a so-called "thermal runaway" in the affected battery cell and optionally also in surrounding battery cells, an overvoltage protection device ("overcharge safety device" or OSD) can be provided on the housing of the battery cell.

Eine solche Überspannungsschutzvorrichtung umfasst in der Regel einen Kontaktstift, der mit der ersten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist, eine Membran, die über einer Gehäuseöffnung angeordnet und mit der zweiten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist, wobei Kontaktstift und Membran derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Membran durch einen Überdruck im Gehäuseinneren verformbar ist und die Membran den Kontaktstift erst im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert, so dass die Batteriezelle kurzgeschlossen ist; sowie eine Sicherung, die derart angeordnet ist, dass die Sicherung bei einem Kurzschluss der Batteriezelle durch die Überspannungsschutzvorrichtung auslöst und den Stromkreis in der Zelle unterbricht. Bei einem erhöhten Innendruck im Gehäuse, beispielsweise in Folge einer Erwärmung der Atmosphäre im Gehäuseinneren, verformt sich die Membran nach außen. Dadurch wird ein Kontakt zwischen Kontaktstift und Membran hergestellt, die Batteriezelle wird kurzgeschlossen und eine hohe Spannung kann über das Gehäuse abgeleitet werden. Durch die hohe Spannung löst die Sicherung aus und der Stromkreis in der Batteriezelle wird unterbrochen. Die Batteriezelle kann nun weder weiter ge- noch entladen werden. Eine weitere Überhitzung der Batteriezelle wird verhindert.Such an overvoltage protection device generally comprises a contact pin which is conductively connected to the first electrode of the battery cell, a membrane which is arranged above a housing opening and is conductively connected to the second electrode of the battery cell, the contact pin and membrane being designed and arranged in such a way that the membrane is deformable by an overpressure inside the housing and the membrane contacted the contact pin in a state of deformation electrically conductive, so that the battery cell is short-circuited; and a fuse which is arranged such that the fuse triggers in a short circuit of the battery cell by the overvoltage protection device and interrupts the circuit in the cell. At an increased internal pressure in the housing, for example as a result of heating of the atmosphere inside the housing, the membrane deforms outwards. As a result, a contact between the contact pin and the membrane is made, the battery cell is short-circuited and a high voltage can be dissipated through the housing. The high voltage triggers the fuse and the circuit in the battery cell is interrupted. The battery cell can now neither be charged nor discharged. Further overheating of the battery cell is prevented.

Eine solche Überspannungsschutzvorrichtung funktioniert so lange, wie nur eine Batteriezelle eingesetzt wird oder eine Mehrzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet wird. Werden Batteriezellen mit einer solchen Überspannungsschutzvorrichtung jedoch parallel geschaltet und eine davon überhitzt, so löst die Überspannungsschutzvorrichtung der überhitzten Batteriezelle aus und schließt dabei notwendigerweise alle parallel geschalteten Batteriezellen kurz. Der Strom fließt nun aber über alle Sicherungen der parallel geschalteten Batteriezellen und der Widerstand an einer Sicherung verringert sich entsprechend der Anzahl an parallel geschalteten Batteriezellen. Es besteht die Möglichkeit, dass bei einer Parallelschaltung von Batteriezellen der Widerstand der Sicherung einer parallel geschalteten Batteriezelle RF derart abnimmt, dass der Widerstand am Kontakt zwischen Kontaktstift und verformter Membran ROSD > RF ist. Ist dies der Fall, so brennt die Membran der überhitzten Batteriezelle durch, ohne dass die Sicherung auslöst. In einem solchen Fall wird der Stromkreis in der Batteriezelle nicht dauerhaft unterbrochen. Die Batteriezelle kann nun weiter ge- oder entladen werden. Eine weitere Überhitzung der Batteriezelle wird nicht verhindert und es kann zu einem unerwünschten „thermal runaway“ kommen.Such an overvoltage protection device functions as long as only one battery cell is used or a plurality of battery cells are connected in series. However, if battery cells are connected in parallel with such an overvoltage protection device and one of them is overheated, then the overvoltage protection device triggers the overheated battery cell and necessarily closes all parallel-connected battery cells briefly. However, the current now flows across all fuses of the parallel-connected battery cells and the resistance at a fuse decreases according to the number of parallel-connected battery cells. There is the possibility that, in a parallel connection of battery cells, the resistance of the fuse of a parallel-connected battery cell R F decreases such that the resistance at the contact between the contact pin and the deformed membrane R OSD > R F. If this is the case, then the membrane of the overheated battery cell burns through without the fuse triggers. In such a case, the circuit in the battery cell is not permanently interrupted. The battery cell can now be further charged or discharged. A further overheating of the battery cell is not prevented and it can come to an undesirable "thermal runaway".

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, zur Verfügung gestellt, wobei die Batteriezelle ein Gehäuse und eine am Gehäuse angeordnete Überspannungsschutzvorrichtung aufweist. In der erfindungsgemäßen Batteriezelle umfasst die Überspannungsschutzvorrichtung einen Kontaktstift, der mit einer ersten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist und eine Membran, die über einer Gehäuseöffnung angeordnet und mit einer zweiten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist. Dabei sind Kontaktstift und Membran derart ausgebildet und angeordnet, dass die Membran durch einen Überdruck im Gehäuseinneren verformbar ist und die Membran den Kontaktstift bevorzugt erst im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert, so dass die Batteriezelle kurzgeschlossen ist. Ist die Membran nicht verformt, so besteht kein leitender Kontakt zwischen Membran und Kontaktstift. Zusätzlich weist die Überspannungsschutzvorrichtung eine Sicherung auf, die derart angeordnet ist, dass die Sicherung bei einem Kurzschluss der Batteriezelle durch die Überspannungsschutzvorrichtung auslöst und den Stromkreis in der Batteriezelle unterbricht. Die erfindungsgemäße Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Überspannungsschutzvorrichtung eine Mehrzahl von Kontaktpunkten aufweist, über die die Membran den Kontaktstift im Zustand der Verformung durch einen Überdruck im Gehäuseinneren elektrisch leitend kontaktiert.According to the invention, a battery cell, preferably a lithium-ion battery cell, is provided, wherein the battery cell has a housing and an overvoltage protection device arranged on the housing. In the battery cell according to the invention, the overvoltage protection device comprises a contact pin, which is conductively connected to a first electrode of the battery cell and a membrane, which is arranged above a housing opening and is conductively connected to a second electrode of the battery cell. There are Contact pin and membrane designed and arranged such that the membrane is deformable by an overpressure inside the housing and the membrane preferably contacts the contact pin only in the state of deformation, so that the battery cell is short-circuited. If the membrane is not deformed, there is no conductive contact between the membrane and the contact pin. In addition, the overvoltage protection device has a fuse which is arranged such that the fuse triggers in the event of a short circuit of the battery cell by the overvoltage protection device and interrupts the circuit in the battery cell. The battery cell according to the invention is characterized in that the overvoltage protection device has a plurality of contact points, via which the membrane contacts the contact pin in the state of deformation by an overpressure in the housing interior in an electrically conductive manner.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für einen sicheren Betrieb von Batteriezellen, die parallel geschaltet sind, sichergestellt sein muss, dass die Überspannungsschutzvorrichtungen der Batteriezellen jeweils einsatzbereit und funktionstüchtig sind. Um dies zu gewährleisten, weist die Überspannungsschutzvorrichtung der erfindungsgemäßen Batteriezelle eine Mehrzahl von Kontaktpunkten auf, über die die Membran den Kontaktstift nach einer Verformung der Membran elektrisch leitend kontaktiert. Dadurch, dass nicht nur ein einziger Punktkontakt hergestellt wird, sondern der Kontakt aus einer Mehrzahl von Kontaktpunkten besteht, wird der Widerstand ROSD des Kontaktes zwischen Membran und Kontaktstift reduziert. Durch die Reduktion des Widerstandes ROSD wird sichergestellt, dass auch bei einer Parallelschaltung von erfindungsgemäßen Batteriezellen der Widerstand der Sicherung RF höher ist als der Widerstand ROSD des Kontaktes zwischen Membran und Kontaktstift der ausgelösten Überspannungsschutzvorrichtung: RF > ROSD. Ist diese Bedingung erfüllt, so löst die Sicherung der Überspannungsschutzvorrichtung nach einem Kontakt zwischen Membran und Kontaktstift aus und unterbricht dauerhaft den Stromkreis in der Batteriezelle. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ermöglicht einen sicheren Betrieb der Überspannungsschutzvorrichtung bei Parallelschaltung von mehr als zwei Batteriezellen. Es erfolgt kein unkontrolliertes Durchbrennen der Membran und somit wird ein Austritt von gegebenenfalls schädlichen Gasen und/oder Elektrolytkomponenten aus einer überhitzten Batteriezelle verhindert.The present invention is based on the finding that for a safe operation of battery cells, which are connected in parallel, it must be ensured that the overvoltage protection devices of the battery cells are each ready for use and functional. In order to ensure this, the overvoltage protection device of the battery cell according to the invention has a plurality of contact points, via which the membrane electrically contacts the contact pin after a deformation of the membrane. Characterized in that not only a single point contact is made, but the contact consists of a plurality of contact points, the resistance R OSD of the contact between the membrane and the contact pin is reduced. By reducing the resistance R OSD it is ensured that, even with a parallel connection of battery cells according to the invention, the resistance of the fuse R F is higher than the resistance R OSD of the contact between membrane and contact pin of the triggered overvoltage protection device: R F > R OSD . If this condition is met, the fuse of the overvoltage protection device triggers after contact between the membrane and the contact pin and permanently interrupts the circuit in the battery cell. The battery cell according to the invention enables safe operation of the overvoltage protection device in parallel connection of more than two battery cells. There is no uncontrolled burning of the membrane and thus leakage of possibly harmful gases and / or electrolyte components is prevented from a superheated battery cell.

Unter dem Begriff „Mehrzahl von Kontaktpunkten“ wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jede Art von elektrischem Kontakt verstanden, der mehr als einen einzelnen Punktkontakt umfasst. So kann eine Mehrzahl von Kontaktpunkten im Sinne der Erfindung durch mehrere punktförmige, einen ringförmigen, einen linienförmigen oder einen flächigen Kontakt gebildet werden sowie von beliebigen Kombinationen davon.By the term "plurality of contact points" is meant for the purposes of the present invention any type of electrical contact comprising more than a single point contact. Thus, a plurality of contact points in the sense of the invention can be formed by a plurality of punctiform, annular, line or flat contact and any desired combinations thereof.

Zur Ausbildung einer Mehrzahl von Kontaktpunkten kann die Überspannungsschutzvorrichtung einen Kontaktring aufweisen, der derart angeordnet ist, dass die Membran im Zustand der Verformung durch einen Überdruck im Gehäuseinneren den Kontaktstift über die ringförmige Oberfläche des Kontaktringes elektrisch leitend kontaktiert. Bevorzugt kann der Kontaktring derart angeordnet sein, dass die Membran im Zustand der Verformung den Kontaktstift zusätzlich über einen Kontaktpunkt im Zentrum des Kontaktringes elektrisch leitend kontaktiert. Der Kontaktring kann beispielsweise durch ein Fließpressverfahren auf die Membran der Überspannungsschutzvorrichtung aufgebracht sein oder der Kontaktring kann auf dem Kontaktstift angeordnet sein.To form a plurality of contact points, the overvoltage protection device may have a contact ring which is arranged such that the membrane in the state of deformation by an overpressure in the housing interior electrically contacted the contact pin on the annular surface of the contact ring. Preferably, the contact ring can be arranged such that the membrane in the state of deformation, the contact pin additionally contacted electrically via a contact point in the center of the contact ring. The contact ring can be applied to the membrane of the overvoltage protection device, for example, by an extrusion process, or the contact ring can be arranged on the contact pin.

Alternativ kann ein reduzierter Kontaktwiderstand dadurch erreicht werden, dass die Mehrzahl von Kontaktpunkten als flächiger Kontakt ausgebildet ist. Ein solcher flächiger Kontakt zwischen verformter Membran und Kontaktstift kann beispielsweise erhalten werden, wenn die Kontaktfläche des Kontaktstiftes derart ausgebildet ist, dass diese ein passendes Gegenstück zur Kontaktfläche der Membran nach deren Verformung durch einen Überdruck im Gehäuseinneren darstellt. Dazu kann der Kontaktstift beispielsweise eine konkave Kontaktfläche aufweisen, wobei die Krümmung der konkaven Kontaktfläche des Kontaktstiftes einer Krümmung der verformten Membran entspricht. Insbesondere kann die Membran derart ausgebildet sein, dass die Membran durch einen Überdruck im Gehäuseinneren konvex verformbar ist und der Kontaktstift eine Kontaktfläche aufweist, die derart konkav ausgebildet ist, dass die konkave Kontaktfläche des Kontaktstiftes und die konvex verformte Oberfläche der Membran einen flächigen Kontakt bilden.Alternatively, a reduced contact resistance can be achieved in that the plurality of contact points is formed as a planar contact. Such a flat contact between deformed membrane and contact pin can be obtained, for example, if the contact surface of the contact pin is designed such that it represents a suitable counterpart to the contact surface of the membrane after its deformation by an overpressure inside the housing. For this purpose, the contact pin, for example, have a concave contact surface, wherein the curvature of the concave contact surface of the contact pin corresponds to a curvature of the deformed membrane. In particular, the membrane may be formed such that the membrane is convexly deformable by an overpressure in the housing interior and the contact pin has a contact surface which is concave such that the concave contact surface of the contact pin and the convex surface of the membrane form a planar contact.

Unter einer Batteriezelle wird ein elektrochemischer Energiespeicher verstanden, der eine Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichern und bei Bedarf wieder bereitstellen kann. Grundsätzlich können für die erfindungsgemäße Batteriezelle Batteriezellen jedes Akkumulator- oder Batteriezelltyps verwendet werden. Bevorzugt werden Batteriezellen vom Typ der Lithium-Ionen-Zellen verwendet, insbesondere vom Typ Li-Ion-Lithium-Ionen-Akku, LiPo-Lithium-Polymer-Akku, LiFe-Lithium-Metall-Akku, Li-Mn-Lithium-Mangan-Akku, LiFePO4-Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi-Lithium-Titanat-Akku. A battery cell is understood as meaning an electrochemical energy store which can store an energy by means of electrochemical processes and can provide it again if necessary. In principle, battery cells of any accumulator or battery cell type can be used for the battery cell according to the invention. Battery cells of the type of lithium-ion cells are preferably used, in particular of the type Li-ion lithium-ion battery, LiPo-lithium-polymer battery, LiFe-lithium-metal battery, Li-Mn-lithium-manganese. Rechargeable battery, LiFePO 4 lithium iron phosphate rechargeable battery, LiTi lithium titanate rechargeable battery.

Die Batteriezelle ist durch ein Gehäuse im Wesentlichen vollständig nach außen abgegrenzt. Die Batteriezelle weist bevorzugt ein metallisches Gehäuse auf, also ein Gehäuse mit einem metallischen Anteil, wobei eine Metallfolie und/oder ein Metallblech des Gehäuses eine Sperre gegen das Eindringen von Umwelteinflüssen, insbesondere von Feuchtigkeit, in das Zellinnere bildet. Bevorzugt weist das Gehäuse Aluminium oder eine Legierung davon auf oder das Gehäuse besteht im Wesentlichen daraus. Das Gehäuse der Batteriezelle kann als solides Gehäuse, als sogenanntes „hard case“ ausgebildet sein.The battery cell is substantially completely outwardly delimited by a housing. The battery cell preferably has a metallic Housing on, so a housing with a metallic portion, wherein a metal foil and / or a metal sheet of the housing forms a barrier against the ingress of environmental influences, in particular moisture, in the cell interior. Preferably, the housing comprises aluminum or an alloy thereof, or the housing consists essentially thereof. The housing of the battery cell can be designed as a solid housing, as a so-called "hard case".

Die Batteriezelle sowie deren Gehäuse können unterschiedlich ausgebildet sein. Die Batteriezelle kann z. B. als zylindrische Zelle und/oder als prismatische Zellen ausgebildet sein.The battery cell and its housing can be designed differently. The battery cell can z. B. be formed as a cylindrical cell and / or prismatic cells.

Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, insbesondere um eine hochkapazitive Lithium-Ionen-Batteriezelle. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle um eine Batteriezelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, für die Verwendung in einer hochkapazitiven Batterie, bevorzugt einer Batterie mit einer nominalen Kapazität von ≥ 5 Ah, bevorzugt von ≥ 20 Ah, besonders bevorzugt von ≥ 60 Ah.The battery cell according to the invention is preferably a lithium-ion battery cell, in particular a high-capacity lithium-ion battery cell. The battery cell according to the invention is particularly preferably a battery cell, for example a lithium-ion battery cell, for use in a high-capacity battery, preferably a battery having a nominal capacity of ≥ 5 Ah, preferably 20 Ah, particularly preferably of ≥ 60 Ah.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Batterie, welche eine erfindungsgemäße Batteriezelle aufweist. Insbesondere kann die Batterie eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Batteriezellen aufweisen, wobei mindestens zwei der erfindungsgemäßen Batteriezellen parallel geschaltet sind.The present invention also relates to a battery having a battery cell according to the invention. In particular, the battery may comprise a plurality of battery cells according to the invention, wherein at least two of the battery cells according to the invention are connected in parallel.

Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Batteriezelle oder eine erfindungsgemäße Batterie aufweist. Dabei kommt es nicht darauf an, dass Kraftfahrzeug und Batterie oder Batteriezelle eine bauliche Einheit bilden, sondern dass Kraftfahrzeug und Batterie oder Batteriezelle derart funktional in Kontakt stehen, dass die Batteriezelle seine Funktion während des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfüllen kann. Dabei sind unter dem Begriff „Kraftfahrzeug“ alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die eine Batteriezelle oder eine Batterie zur Energieversorgung von mindestens einer Komponente des Kraftfahrzeugs aufweisen, unabhängig davon, welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Kraftfahrzeug“ elektrische Hybridfahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV), Elektrofahrzeuge (EV), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die eine Batteriezelle oder eine Batterie zur mindestens teilweisen Versorgung mit elektrischer Energie einsetzen.The invention also relates to a motor vehicle, for example an electric or hybrid vehicle, which has a battery cell according to the invention or a battery according to the invention. It is not important that motor vehicle and battery or battery cell form a structural unit, but that motor vehicle and battery or battery cell are so functionally in contact that the battery cell can fulfill its function during operation of the motor vehicle. The term "motor vehicle" is to be understood as meaning all driven vehicles which have a battery cell or a battery for supplying energy to at least one component of the motor vehicle, regardless of which drive these motor vehicles have. In particular, the term "motor vehicle" includes hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric vehicles (EV), fuel cell vehicles, as well as all vehicles that use a battery cell or a battery for at least partial supply of electrical energy.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einer Überspannungsschutzvorrichtung nach Stand der Technik; 1 a schematic representation of a battery cell with a surge protection device according to the prior art;

2 eine schematische Darstellung des Kontaktes zwischen verformter Membran und Kontaktstift in einer Überspannungsschutzvorrichtung nach Stand der Technik; 2 a schematic representation of the contact between the deformed membrane and pin in a surge protection device according to the prior art;

3 eine schematische Darstellung des Kontaktes zwischen verformter Membran und Kontaktstift in einer Überspannungsschutzvorrichtung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle; und 3 a schematic representation of the contact between the deformed membrane and pin in an overvoltage protection device of a first embodiment of a battery cell according to the invention; and

4 eine schematische Darstellung des Kontaktes zwischen verformter Membran und Kontaktstift in einer Überspannungsschutzvorrichtung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle. 4 a schematic representation of the contact between the deformed membrane and contact pin in an overvoltage protection device of a second embodiment of a battery cell according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist eine Batteriezelle nach Stand der Technik schematisch gezeigt mit einem Gehäuse 1, zwei Batteriepolen, der Anode (–) und der Kathode (+), sowie einer Überspannungsschutzvorrichtung. Die Überspannungsschutzvorrichtung ist am Gehäuse 1 angeordnet und umfasst einen Kontaktstift 4, der mit einer ersten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist, eine Membran 2, die über einer Öffnung des Gehäuses 1 angeordnet und mit einer zweiten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist. Der Kontaktstift 4 und die Membran 2 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die Membran 2 durch einen Überdruck im Inneren des Gehäuses 1 verformbar ist, wobei die Membran 2 den Kontaktstift 4 erst im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert, so dass die Batteriezelle kurzgeschlossen ist. Der Kontakt zwischen Membran 2 und Kontaktstift 4 weist einen Widerstand ROSD auf. Zwischen Membran 2 und der damit leitend verbundenen zweiten Elektrode ist eine Sicherung 3 vorgesehen, die derart angeordnet ist, dass die Sicherung 3 bei einem Kurzschluss der Batteriezelle durch die Überspannungsschutzvorrichtung ausgelöst wird. Die Sicherung 3 weist einen Widerstand RF auf und sobald dieser überschritten wird, löst die Sicherung 3 aus und der Stromkreis in der Batteriezelle wird unterbrochen. Die Sicherung 3 wird nur dann durch den Kurzschluss der Batteriezelle ausgelöst, wenn RF > ROSD. Diese Bedingung stellt kein Problem dar, solange die Batteriezellen in Reihe geschaltet betrieben werden. Werden aber mehr als zwei Batteriezellen parallel geschaltet, so kann es dazu kommen, dass oben genannte Bedingung nicht mehr gilt und statt der Sicherung 3 die Membran 2 durchbrennt. In diesem Fall wird der Stromkreis in der betroffenen Batteriezelle nicht dauernd unterbrochen und es kann zu einem „thermal runaway“ kommen.In 1 a battery cell according to the prior art is shown schematically with a housing 1 , two battery poles, the anode (-) and the cathode (+), as well as an overvoltage protection device. The overvoltage protection device is on the housing 1 arranged and includes a contact pin 4 which is conductively connected to a first electrode of the battery cell, a membrane 2 that over an opening of the housing 1 is arranged and conductively connected to a second electrode of the battery cell. The contact pin 4 and the membrane 2 are formed and arranged such that the membrane 2 by an overpressure inside the case 1 deformable, wherein the membrane 2 the contact pin 4 only electrically contacted in the state of deformation, so that the battery cell is short-circuited. The contact between membrane 2 and contact pin 4 has a resistor R OSD . Between membrane 2 and the second electrode connected therewith is a fuse 3 provided, which is arranged such that the fuse 3 is triggered by the overvoltage protection device in a short circuit of the battery cell. The fuse 3 has a resistance R F and as soon as this is exceeded, releases the fuse 3 off and the circuit in the battery cell is interrupted. The fuse 3 is triggered by the short circuit of the battery cell only if R F > R OSD . This condition poses no problem as long as the battery cells are operated in series. But if more than two battery cells are connected in parallel, it can happen that the above condition is no longer valid and instead of the fuse 3 the membrane 2 blows. In this case, the circuit in the affected battery cell is not constantly interrupted and it can come to a "thermal runaway".

2 zeigt einen Ausschnitt der Batteriezelle aus 1, wobei der Bereich des Kontaktes zwischen Membran 2 und Kontaktstift 4 dargestellt ist, im Zustand nachdem die Membran 2 durch einen Überdruck im Inneren des Gehäuses 1 verformt worden ist. Es bildet sich ein einzelner Kontaktpunkt 5 in Form eines punktförmigen Kontaktes aus. Ein solcher punktförmiger Kontakt zwischen verformter Membran 2 und Kontaktstift 4 zeichnet sich durch einen hohen Kontaktwiderstand ROSD aus, da die Kontaktfläche sehr klein ist. 2 shows a section of the battery cell 1 , where the area of contact between membrane 2 and contact pin 4 is shown in the state after the membrane 2 by an overpressure inside the case 1 has been deformed. It forms a single contact point 5 in the form of a point-like contact. Such punctiform contact between deformed membrane 2 and contact pin 4 is characterized by a high contact resistance R OSD , since the contact area is very small.

Die Batteriezelle der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Überspannungsschutzvorrichtung eine Mehrzahl von Kontaktpunkten 5 aufweist, über die die Membran 2 den Kontaktstift 4 im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert.The battery cell of the present invention is characterized in that the overvoltage protection device has a plurality of contact points 5 over which the membrane 2 the contact pin 4 contacted electrically conductive in the state of deformation.

In 3 ist eine erste Ausführungsform einer Überspannungsschutzvorrichtung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle dargestellt. Die Überspannungsschutzvorrichtung weist einen Kontaktring 6 auf, der derart angeordnet ist, dass die Membran 2 den Kontaktstift 4 im Zustand der Verformung durch einen Überdruck im Inneren des Gehäuses 1 über die ringförmige Oberfläche des Kontaktringes 6 elektrisch leitend kontaktiert. Der Kontaktring 6 kann beispielsweise auf der Membran 2 angebracht sein oder auf die Kontaktfläche des Kontaktstiftes 4 aufgesetzt sein. Es entsteht ein ringförmiger Kontakt, der einen geringeren Kontaktwiderstand ROSD aufweist als der Punktkontakt der Überspannungsschutzvorrichtung aus 2. Dabei ist der Kontaktring 6 derart angeordnet, dass die Membran 2 den Kontaktstift 4 im Zustand der Verformung zusätzlich über einen weiteren Kontaktpunkt 5 im Zentrum des Kontaktringes 6 elektrisch leitend kontaktiert. Damit ist die Bedingung RF > ROSD auch dann erfüllt, wenn mehr als zwei erfindungsgemäße Batteriezellen parallel geschaltet werden und die Überspannungsschutzvorrichtungen der erfindungsgemäßen Batteriezellen können ihre Funktion auch bei Parallelschaltung der Batteriezellen voll ausfüllen.In 3 a first embodiment of an overvoltage protection device of a battery cell according to the invention is shown. The overvoltage protection device has a contact ring 6 on, which is arranged such that the membrane 2 the contact pin 4 in the state of deformation by an overpressure inside the housing 1 over the annular surface of the contact ring 6 electrically conductive contacted. The contact ring 6 For example, on the membrane 2 be attached or on the contact surface of the contact pin 4 be set up. The result is an annular contact having a lower contact resistance R OSD than the point contact of the overvoltage protection device 2 , Here is the contact ring 6 arranged such that the membrane 2 the contact pin 4 in the state of deformation additionally via another contact point 5 in the center of the contact ring 6 electrically conductive contacted. Thus, the condition R F > R OSD is also satisfied when more than two battery cells according to the invention are connected in parallel and the overvoltage protection devices of the battery cells according to the invention can fully fill their function even when the battery cells are connected in parallel.

In 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Überspannungsschutzvorrichtung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Membran 2 derart ausgebildet, dass die Membran 2 durch einen Überdruck im Inneren des Gehäuses 1 konvex nach außerhalb des Gehäuses 1 verformbar ist und der Kontaktstift 4 eine Kontaktfläche aufweist, die derart konkav ausgebildet ist, dass die konkave Kontaktfläche des Kontaktstiftes 4 und die konvex verformte Oberfläche der Membran 2 flächig miteinander kontaktierbar sind. Dadurch, dass die konvexe Oberfläche der Membran und die konkave Kontaktfläche des Kontaktstiftes 4 exakt aufeinanderpassen, wird eine Kontaktfläche erhalten, die einen geringeren Kontaktwiderstand ROSD aufweist als der Punktkontakt der Überspannungsschutzvorrichtung aus 2. Damit ist die Bedingung RF > ROSD auch dann erfüllt, wenn mehr als zwei erfindungsgemäße Batteriezellen parallel geschaltet werden und die Überspannungsschutzvorrichtungen der erfindungsgemäßen Batteriezellen können ihre Funktion auch bei Parallelschaltung der Batteriezellen voll ausfüllen.In 4 a second embodiment of an overvoltage protection device of a battery cell according to the invention is shown. In this embodiment, the membrane 2 formed such that the membrane 2 by an overpressure inside the case 1 convex to the outside of the housing 1 deformable and the contact pin 4 has a contact surface which is concave such that the concave contact surface of the contact pin 4 and the convex-shaped surface of the membrane 2 flat contact with each other. Characterized in that the convex surface of the membrane and the concave contact surface of the contact pin 4 exactly match, a contact surface is obtained, which has a lower contact resistance R OSD than the point contact of the overvoltage protection device 2 , Thus, the condition R F > R OSD is also satisfied when more than two battery cells according to the invention are connected in parallel and the overvoltage protection devices of the battery cells according to the invention can fully fill their function even when the battery cells are connected in parallel.

Claims (10)

Batteriezelle mit einem Gehäuse (1) und einer am Gehäuse (1) angeordneten Überspannungsschutzvorrichtung, wobei die Überspannungsschutzvorrichtung umfasst: – einen Kontaktstift (4), der mit einer ersten Elektrode der Batteriezelle leitend verbundenen ist; – eine Membran (2), die über einer Gehäuseöffnung angeordnet und mit einer zweiten Elektrode der Batteriezelle leitend verbunden ist, wobei Kontaktstift (4) und Membran (2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Membran (2) durch einen Überdruck im Gehäuseinneren verformbar ist und die Membran (2) den Kontaktstift (4) im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert, so dass die Batteriezelle kurzgeschlossen ist; und – eine Sicherung (3), die derart angeordnet ist, dass die Sicherung (3) bei einem Kurzschluss der Batteriezelle durch die Überspannungsschutzvorrichtung auslöst und den Stromkreis in der Zelle unterbricht; dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzvorrichtung eine Mehrzahl von Kontaktpunkten (5) aufweist, über die die Membran (2) den Kontaktstift (4) im Zustand der Verformung elektrisch leitend kontaktiert.Battery cell with a housing ( 1 ) and one on the housing ( 1 ), the overvoltage protection device comprising: a contact pin ( 4 ) conductively connected to a first electrode of the battery cell; A membrane ( 2 ), which is arranged above a housing opening and is conductively connected to a second electrode of the battery cell, wherein contact pin ( 4 ) and membrane ( 2 ) are formed and arranged such that the membrane ( 2 ) is deformable by an overpressure inside the housing and the membrane ( 2 ) the contact pin ( 4 ) electrically conductively contacted in the state of deformation, so that the battery cell is short-circuited; and - a fuse ( 3 ), which is arranged such that the fuse ( 3 ) triggers in a short circuit of the battery cell by the overvoltage protection device and breaks the circuit in the cell; characterized in that the overvoltage protection device comprises a plurality of contact points ( 5 ) over which the membrane ( 2 ) the contact pin ( 4 ) contacted electrically conductive in the state of deformation. Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Überspannungsschutzvorrichtung einen Kontaktring (6) aufweist, der derart angeordnet ist, dass die Membran (2) den Kontaktstift (4) im Zustand der Verformung durch einen Überdruck im Gehäuseinneren über die ringförmige Oberfläche des Kontaktringes (6) in einer Mehrzahl von Kontaktpunkten (5) elektrisch leitend kontaktiert. Battery cell according to claim 1, wherein the overvoltage protection device comprises a contact ring ( 6 ) arranged in such a way that the membrane ( 2 ) the contact pin ( 4 ) in the state of deformation by an overpressure in the housing interior via the annular surface of the contact ring ( 6 ) in a plurality of contact points ( 5 ) contacted electrically conductive. Batteriezelle nach Anspruch 2, wobei der Kontaktring (6) derart angeordnet ist, dass die Membran (2) den Kontaktstift (4) im Zustand der Verformung durch einen Überdruck im Gehäuseinneren zusätzlich über einen Kontaktpunkt (5) im Zentrum des Kontaktringes (6) elektrisch leitend kontaktiert.Battery cell according to claim 2, wherein the contact ring ( 6 ) is arranged such that the membrane ( 2 ) the contact pin ( 4 ) in the state of deformation by an overpressure in the housing interior additionally via a contact point ( 5 ) in the center of the contact ring ( 6 ) contacted electrically conductive. Batteriezelle nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Kontaktring (6) auf der Membran (2) oder auf dem Kontaktstift (4) angeordnet ist. Battery cell according to claim 2 or 3, wherein the contact ring ( 6 ) on the membrane ( 2 ) or on the contact pin ( 4 ) is arranged. Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei der Kontaktstift (4) eine konkave Kontaktfläche aufweist.Battery cell according to claim 1, wherein the contact pin ( 4 ) has a concave contact surface. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 5, wobei die Membran (2) derart ausgebildet ist, dass die Membran (2) durch einen Überdruck im Gehäuseinneren konvex verformbar ist und der Kontaktstift (4) eine Kontaktfläche aufweist, die derart konkav ausgebildet ist, dass die konkave Kontaktfläche des Kontaktstiftes (4) und die konvex verformte Oberfläche der Membran (2) flächig kontaktierbar sind.Battery cell according to claim 1 or 5, wherein the membrane ( 2 ) is designed such that the membrane ( 2 ) is convexly deformable by an overpressure inside the housing and the contact pin ( 4 ) has a contact surface which is concave in such a way that the concave contact surface of the contact pin ( 4 ) and the convexly deformed surface of the membrane ( 2 ) are contactable surface. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich um eine Batteriezelle vom Typ der Lithium-Ionen-Batteriezelle handelt.Battery cell according to one of the preceding claims, which is a battery cell of the type of lithium-ion battery cell. Batterie umfassend eine Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Battery comprising a battery cell according to one of claims 1 to 7. Batterie nach Anspruch 8, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist und mindestens zwei dieser Batteriezellen parallel geschaltet sind.A battery according to claim 8, wherein the battery comprises a plurality of battery cells according to any one of claims 1 to 7 and at least two of these battery cells are connected in parallel. Kraftfahrzeug mit einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder mit einer Batterie nach einem der Ansprüche 8 oder 9.Motor vehicle with a battery cell according to one of claims 1 to 7 or with a battery according to one of claims 8 or 9.
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