DE102012207804A1 - battery cell - Google Patents

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Matthias Straub
Alexander Reitzle
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Samsung SDI Co Ltd
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Abstract

Es wird eine Batteriezelle mit einem formstabilen Batteriezellengehäuse beschrieben. Die Batteriezelle umfasst einen Polanschluss (14) und einen Leiter (10), wobei der Leiter (10) den Polanschluss (14) mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch verbindet. Kennzeichnend bildet der Leiter einen Sicherungsbereich (16) mit einem Hohlraum (12) aus und ein Leiterquerschnitt (20) weist eine um den Hohlraum (12) umlaufende Gestalt auf. Der Leiterquerschnitt (20) ist im Sicherungsbereich des Hohlraumes (12) kleiner als in den angrenzenden Bereichen des Leiters (10), so dass der Leiter (10) im Sicherungsbereich als Schmelzsicherung wirkt.A battery cell with a dimensionally stable battery cell housing is described. The battery cell comprises a pole terminal (14) and a conductor (10), wherein the conductor (10) electrically connects the pole terminal (14) to a current collector of the battery cell. Characteristically, the conductor forms a securing region (16) with a cavity (12), and a conductor cross-section (20) has a shape that runs around the cavity (12). The conductor cross section (20) is smaller in the securing area of the cavity (12) than in the adjacent areas of the conductor (10), so that the conductor (10) acts as a fuse in the fuse area.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem formstabilen Batteriezellengehäuse umfassend einen Polanschluss und einen Leiter, wobei der Leiter den Polanschluss mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch verbindet.The present invention relates to a battery cell having a dimensionally stable battery cell housing comprising a pole terminal and a conductor, wherein the conductor electrically connects the pole terminal to a current collector of the battery cell.

Stand der TechnikState of the art

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.It is becoming apparent that new battery systems will be used in future, both in stationary applications such as wind turbines, in motor vehicles designed as hybrid or electric vehicles, and in electronic devices such as laptops or mobile phones in terms of reliability, safety, performance and service life.

In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen Batterien zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batterien Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. In vehicles with at least partial electric drive batteries are used to store the electrical energy for the electric motor which supports the drive or drive. In the vehicles of the latest generation, so-called lithium-ion batteries are used. These are characterized among other things by high energy densities and an extremely low self-discharge. Lithium-ion cells have at least one positive and one negative electrode (cathode or anode), the lithium-ion (Li +) reversible on (intercalation) or outsource (deintercalation) can.

Batteriezellen besitzen als Schutzmechanismus oftmals eine Art innere Sicherung, die sicherstellt, dass bei einem zu hohen Überstrom der Stromfluss durch die Batteriezelle unterbrochen wird und damit andere Batteriezellen im Zellverband geschützt werden. Diese Art der Sicherung findet vor allem bei Lithium-Ionen-Akkus in Form eines sogenannten CID (current interrupt device) Anwendung. Battery cells often have a kind of internal fuse as a protection mechanism, which ensures that the flow of current through the battery cell is interrupted if the overcurrent is too high, thus protecting other battery cells in the cell structure. This type of fuse is mainly used in lithium-ion batteries in the form of a so-called CID (current interrupt device) application.

Beispielsweise beschreibt die US 2010/0255351 A1 eine prismatische Batteriezelle mit einem nachgiebigen Batteriezellengehäuse, welches durch eine Folie realisiert ist. Die elektrischen Anschlüsse an die Batteriezelle sind als Blechstreifen ausgeführt, wobei ein elektrischer Anschluss eine Perforierung aufweist, so dass der Polanschluss als Sicherung dient. For example, this describes US 2010/0255351 A1 a prismatic battery cell with a resilient battery cell housing, which is realized by a film. The electrical connections to the battery cell are designed as sheet metal strips, wherein an electrical connection has a perforation, so that the pole connection serves as a fuse.

Bei Batteriezellen mit einem formstabilen Batteriezellengehäuse (Hardcase Batteriezellengehäuse) besteht die Möglichkeit der Absicherung der Batteriezelle darin, gewöhnliche Schmelzsicherungen außerhalb der Batteriezelle zu montieren, um hier ein Abschalten zu erzwingen. In der Regel ist eine Sicherung jedoch im Inneren der Batteriezelle assembliert. Eine Sicherung im Inneren einer elektrochemischen Zelle kann beim Auslösen zu ungünstigen Spannungsverteilungen (teilweise zu einer Spannungsumkehr) innerhalb der Batteriezelle führen, was zu ungewollten Folgereaktionen führen kann. In the case of battery cells with a dimensionally stable battery cell housing (hardcase battery cell housing), it is possible to protect the battery cell by mounting ordinary fuses outside the battery cell in order to force it to switch off. As a rule, however, a fuse is assembled inside the battery cell. A fuse inside an electrochemical cell can lead to unfavorable voltage distributions (in some cases to a voltage reversal) within the battery cell when triggered, which can lead to unwanted secondary reactions.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einem formstabilen Batteriezellengehäuse umfassend einen Polanschluss und einen Leiter zur Verfügung gestellt, wobei der Leiter den Polanschluss mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch verbindet. Der Leiter bildet einen Sicherungsbereich mit einem Hohlraum aus, wobei ein Leiterquerschnitt eine um den Hohlraum umlaufende Gestalt aufweist und der Leiterquerschnitt im Sicherungsbereich des Hohlraumes kleiner ist als in den angrenzenden Bereichen des Leiters, derart, dass der Leiter im Sicherungsbereich als Schmelzsicherung wirkt.According to the invention, a battery cell with a dimensionally stable battery cell housing comprising a pole terminal and a conductor is provided, wherein the conductor electrically connects the pole terminal to a current collector of the battery cell. The conductor forms a fuse region with a cavity, wherein a conductor cross-section has a circumferential shape around the cavity and the conductor cross-section in the securing region of the cavity is smaller than in the adjacent regions of the conductor, such that the conductor acts as a fuse in the fuse area.

Der Leiter kann je nach Bedarf mit einer Anode als auch mit einer Kathode der Batteriezelle verschaltet sein.The conductor can be connected as required to an anode as well as to a cathode of the battery cell.

Wie beschrieben ist gemäß dem Stand der Technik bei prismatischen Batteriezellen mit formstabilen Batteriezellengehäusen (Hardcase Batteriezellen) in der Regel eine Sicherung im Inneren des Batteriezellengehäuses angeordnet. As described, according to the prior art prismatic battery cells with dimensionally stable battery cell housings (hardcase battery cells) usually have a fuse inside the battery cell housing.

Dadurch konnte es bisher durch das Auslösen der Sicherung im Inneren der Batteriezelle zu einer ungünstigen Potenzialverteilung kommen, wodurch ungewollte Nachfolgereaktionen initiiert werden können (z. B. Korrosion des Batteriezellengehäuses oder eines Stromkollektors – jener Teil, welcher mit einer Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden ist). Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Sicherungsbereiches im Leiter, der den Polanschluss mit dem Stromkollektor verbindet, wird es ermöglicht, den Sicherungsbereich z. B. außerhalb des Batteriezellengehäuses anzuordnen. Bevorzugt ist der Leiter ein Teil des Stromkollektors und insbesondere bevorzugt ist der Leiter mit dem Stromkollektor einstückig ausgeführt. Ferner ist es durch die Erfindung möglich, den Sicherungsbereich des Leiters räumlich von einem chemisch aktiven Teil der Batteriezelle zu trennen. Dadurch werden die Potenzialverteilungen im Inneren der Batteriezelle nicht verändert. Dies bewirkt stabile elektrochemische Verhältnisse und Prozesse, während die vollständige Funktionalität und Zuverlässigkeit einer Schmelzsicherung in die Batteriezelle integriert ist.As a result, an unfavorable potential distribution could hitherto occur due to the triggering of the fuse in the interior of the battery cell, as a result of which unwanted follow-up reactions can be initiated (for example corrosion of the battery cell housing or of a current collector - that part which is electrically conductively connected to one electrode of the battery cell ). The inventive design of a fuse area in the conductor, which connects the pole terminal to the current collector, it is possible, the fuse area z. B. outside the battery cell housing. Preferably, the conductor is part of the current collector, and more preferably, the conductor is integral with the current collector. Furthermore, it is possible by the invention to spatially separate the fuse area of the conductor from a chemically active part of the battery cell. As a result, the potential distributions inside the battery cell are not changed. This results in stable electrochemical conditions and processes while the full functionality and reliability of a fuse is integrated into the battery cell.

Durch den im Sicherungsbereich kleineren Leiterquerschnitt verglichen mit den an den Sicherungsbereich angrenzenden Bereichen, ergibt sich im Leiterquerschnitt ein erhöhter Widerstand. Bei unzulässig hohen Strömen erwärmt sich der Leiter im Sicherungsbereich so stark, dass das Material des Leiters im Sicherungsbereich schmilzt und den Strom unterbricht. Dadurch, dass die Verkleinerung des Leiterquerschnittes im Sicherungsbereich durch einen Hohlraum und nicht durch eine Einengung des Leiters bewirkt wird, wird die Biegesteifigkeit des Leiters im Vergleich zu einem Vollkörper mit gleichem Außendurchmesser nur unwesentlich verringert. As a result of the smaller conductor cross section in the fuse area compared to the areas adjacent to the fuse area, an increased resistance results in the conductor cross section. In the case of impermissibly high currents, the conductor in the fuse area heats up so much that the material of the Conductor in the fuse area melts and interrupts the power. The fact that the reduction of the conductor cross-section in the fuse area is caused by a cavity and not by a constriction of the conductor, the bending stiffness of the conductor is only slightly reduced compared to a solid body with the same outer diameter.

Eine Sensitivität des Sicherungsbereiches des Leiters kann beispielsweise durch die Formgestaltung, zum Beispiel durch die Länge des Sicherungsbereiches in Leiterrichtung und den Leiterquerschnitt im Sicherungsbereich eingestellt werden. Bevorzugt weist der Leiter im Sicherungsbereich eine rohrförmige Kontur auf. Solche Strukturen sind kostengünstig herzustellen und lassen sich gut in den Leiter integrieren.A sensitivity of the fuse area of the conductor can be set, for example, by the shape design, for example by the length of the fuse area in the conductor direction and the conductor cross section in the fuse area. The conductor preferably has a tubular contour in the securing area. Such structures are inexpensive to manufacture and integrate well into the conductor.

Vorzugsweise ist der Leiter im Sicherungsbereich dazu ausgelegt, bei einem Strom ≥ 25 % des Kurzschlussstroms der voll geladenen Batteriezelle zu schmelzen. Dadurch wird ein unzulässig hoher Strom durch die Batteriezelle unterbunden, bevor sich die Batteriezelle zu stark erwärmen kann und es durch die Erwärmung zu Folgeschäden kommt.Preferably, the conductor in the fuse area is designed to melt at a current ≥ 25% of the short-circuit current of the fully charged battery cell. As a result, an impermissibly high current through the battery cell is prevented before the battery cell can heat up too much and the heating causes consequential damage.

Eine weitere Beeinflussung der Sensitivität des Sicherungsbereiches kann erfolgen, indem die Oberfläche des Leiters im Sicherungsbereich eine Struktur und/oder Textur aufweist. Beispielsweise können durch gezielte Verjüngungen des Leiterquerschnittes der Wärmefluss und der lokale Widerstand beeinflusst werden. Bei den Strukturen können die gleichen Strukturen verwendet werden, wie sie in den klassischen Schmelzsicherungen z. B. bei Überstromabsicherungen im Haushalt, Industrieanlagen usw. eingebracht werden. Vorzugsweise umfasst der Leiter im Sicherungsbereich wenigstens eine Verjüngung des Leiterquerschnittes. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Leiter im Sicherungsbereich in Leiterrichtung alternierende Verdickungen und Verjüngungen des Leiterquerschnittes. Die Verjüngungen fungieren als Hitzequellen, während die Verdickungen als Hitzesenken wirken. Hierdurch erfolgt ein bevorzugtes Aufschmelzen der Verjüngungen, die Funktion der Sicherung findet somit an einem definierten Ort statt.A further influencing of the sensitivity of the security area can take place in that the surface of the conductor has a structure and / or texture in the security area. For example, by targeted tapering of the conductor cross-section of the heat flow and the local resistance can be influenced. In the structures, the same structures can be used as in the classical fuses z. B. in overcurrent fuses in the home, industrial equipment, etc. are introduced. Preferably, the conductor in the fuse area comprises at least one taper of the conductor cross-section. According to a further preferred embodiment of the invention, the conductor comprises in the fuse area in the conductor direction alternating thickening and tapering of the conductor cross-section. The rejuvenations act as heat sources, while the thickenings act as heat sinks. This results in a preferred melting of the tapers, the function of the fuse thus takes place at a defined location.

Eine weitere Möglichkeit das Verhalten des Sicherungsbereiches des Leiters einzustellen, ist die Verwendung ausgewählter Materialien für den Sicherheitsbereich. So kann der Leiter im Sicherungsbereich Wolfram, Kupfer, Aluminium oder Silber enthalten oder aus denselben bestehen. Ebenso eignen sich Legierungen, wie zum Beispiel eine Legierung aus 55 % Kupfer, 44 % Nickel und 1 % Mangan (bekannt unter dem Markennamen Konstantan der Firma ThyssenKrupp). Des Weiteren geeignet sind Bronzen, insbesondere bevorzugt Zinn-, Zink- oder Aluminiumbronze. Diese Materialien können beispielsweise als Zylinderrohre in den Sicherungsbereich eingebracht werden und mit angrenzenden Teilen des Leiters mittels klassischer Verbindungstechniken wie z. B. Laserschweißen, Einpressen, Nieten usw. verbunden werden. Ferner sind auch Ausformungen des Leiters im Sicherungsbereich mittels Halbleiterelementen oder leitfähigen Keramiken denkbar. Another way to adjust the behavior of the fuse area of the conductor is to use selected materials for the safety area. For example, the conductor may contain or consist of tungsten, copper, aluminum or silver in the fuse area. Also suitable are alloys such as an alloy of 55% copper, 44% nickel and 1% manganese (known under the brand name Konstantan from ThyssenKrupp). Also suitable are bronzes, particularly preferably tin, zinc or aluminum bronze. These materials can be introduced, for example, as cylinder tubes in the security area and with adjacent parts of the conductor by means of classical joining techniques such. As laser welding, press-fitting, rivets, etc. are connected. Further, also formations of the conductor in the fuse area by means of semiconductor elements or conductive ceramics are conceivable.

Bevorzugt ist in den Hohlraum ein Löschmedium eingebracht. Das Löschmedium kann während des Schmelzens des Leiters im Sicherungsbereich die sich bildende Metallschmelze aufnehmen und binden. Zudem können Lücken, welche durch das Schmelzen des Leiters im Sicherungsbereich entstehen, durch einen Eintritt des Löschmediums gefüllt und dadurch sich in den Lücken entstehende Lichtbögen gelöscht werden. Der Stromfluss wird hierdurch schnell unterbrochen. Preferably, an extinguishing medium is introduced into the cavity. The extinguishing medium can absorb and bind the forming molten metal during the melting of the conductor in the fuse area. In addition, gaps that result from the melting of the conductor in the fuse area, filled by an entry of the extinguishing medium and thereby arcing arcs are deleted in the gaps. The current flow is thereby interrupted quickly.

Vorzugsweise enthält das Löschmedium Quarzsand. Ebenso kommen Mischungen aus Quarzsand mit anderen Mineralien, z. B. Aluminiumoxid in Betracht. Die Mischungen, und Parameter wie Korngrößen usw. orientieren sich unter anderem daran, wie schnell der Strom beim Schmelzen des Leiters im Sicherungsbereich unterbrochen werden soll und wie heiß der Sicherungsbereich beim Auslösen werden soll. The extinguishing medium preferably contains quartz sand. Similarly, mixtures of quartz sand with other minerals, eg. As alumina into consideration. The mixtures, and parameters such as grain sizes, etc., are based, among other things, on how fast the current should be interrupted when the conductor melts in the fuse area and how hot the fuse area should be when triggered.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (Sekundärzelle). Lithium-Ionen-Batteriezellen zeichnen sich durch eine hohe Leistungs- und Energiespeicherdichte aus, wodurch besonders im Bereich der Elektromobilität weitere Vorteile entstehen.According to a preferred embodiment of the invention, the battery cell is a lithium-ion battery cell (secondary cell). Lithium-ion battery cells are characterized by a high power and energy storage density, resulting in further advantages, especially in the field of electromobility.

Ferner wird eine Batterie umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen sind dazu parallel und/oder in Reihe miteinander über ihre Polanschlüsse verschaltet.Furthermore, a battery comprising a plurality of battery cells according to the invention is provided. The battery cells are connected in parallel and / or in series with each other via their pole terminals.

Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei das Batteriemodul in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen ist.Furthermore, a motor vehicle with the battery according to the invention is made available, wherein the battery module is generally provided for feeding an electric drive system of the vehicle.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben oder der Beschreibung zu entnehmen.Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims or refer to the description.

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 Schnittansicht durch einen Anschlussbereich gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, 1 a sectional view through a connection region according to a first preferred embodiment,

2 eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich der Batteriezelle gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, und 2 a sectional view through a terminal region of the battery cell according to a second preferred embodiment, and

3 eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich der Batteriezelle gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform. 3 a sectional view through a connection region of the battery cell according to a third preferred embodiment.

1 zeigt eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Ein Leiter 10 ist durch eine Öffnung im Batteriezellendeckel 34 (Cap Plate), welcher einen Teil eines Batteriezellengehäuses darstellt, aus dem Inneren der Batteriezelle nach außen geführt. Außerhalb des Batteriezellengehäuses ist der Leiter 10 über eine elektrisch leitfähige Verbindung 30 mit einem Polanschluss 14 verbunden, wobei in der Regel sowohl der Leiter 10 als auch der Polanschluss 14 aus Metall sind. Der in 1 untere Teil des Leiters 10, welcher sich innerhalb des Batteriezellengehäuses befindet, ist mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden. Bevorzugt kann der Leiter 10 auch ein Teil des Stromkollektors sein und insbesondere bevorzugt ist der Leiter 10 mit dem Stromkollektor einstückig ausgeführt. Um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Leiter 10 und dem Batteriezellendeckel 34 zu verhindern, wird der Leiter 10 vom Batteriezellendeckel 34 durch elektrische Isolatoren 32 getrennt. Der Leiter 10 bildet einen Sicherungsbereich 16 mit einem Hohlraum 12 aus. Der Hohlraum 12 kann beispielsweise eine Bohrung in einem zylindrischen Leiter 10 sein, wodurch der Leiter 10 im Sicherungsbereich eine rohrförmige Kontur aufweist. Der Sicherungsbereich 16 weist verglichen mit den, an den Sicherungsbereich 16 angrenzenden Bereichen des Leiters 10 über eine Sicherungslänge 18 einen kleineren Leiterquerschnitt 20 (stromdurchflossene Fläche) auf. Der in der Figur gezeigte Leiterquerschnitt 20 des Sicherungsbereiches 16 bezeichnet einen ringförmigen Leiterquerschnitt 20, welcher durch zwei konzentrische Kreise mit unterschiedlichen Radien begrenzt wird. Die Bemaßung des Leiterquerschnittes 20 zeigt also die Differenz der Radien der beiden konzentrischen Kreise. 1 shows a sectional view through a connection region of a battery cell according to the invention according to a first preferred embodiment. A leader 10 is through an opening in the battery cell cover 34 (Cap Plate), which forms part of a battery cell housing, led out of the interior of the battery cell to the outside. Outside the battery cell case is the conductor 10 via an electrically conductive connection 30 with a pole connection 14 connected, usually both the head 10 as well as the pole connection 14 are made of metal. The in 1 lower part of the conductor 10 , which is located within the battery cell housing, is electrically conductively connected to a current collector of the battery cell. Preferably, the conductor 10 also be part of the current collector and particularly preferred is the conductor 10 made in one piece with the current collector. To make an electrically conductive connection between the conductor 10 and the battery cell cover 34 to prevent, becomes the leader 10 from the battery cell cover 34 by electrical insulators 32 separated. The leader 10 forms a security area 16 with a cavity 12 out. The cavity 12 For example, a hole in a cylindrical conductor 10 be, causing the leader 10 has a tubular contour in the security area. The backup area 16 compared to the, to the backup area 16 adjacent areas of the ladder 10 over a fuse length 18 a smaller conductor cross section 20 (current-carrying surface) on. The conductor cross section shown in the figure 20 of the security area 16 denotes an annular conductor cross-section 20 , which is bounded by two concentric circles with different radii. The dimension of the conductor cross-section 20 shows the difference between the radii of the two concentric circles.

Ein elektrischer Widerstand bei einem Stromfluss durch den Leiter 10 wird im Wesentlichen durch den elektrischen Widerstand im Sicherheitsbereich 16 des Leiters 10 bestimmt. Der elektrische Widerstand berechnet sich entsprechend der physikalischen Formel: R = ρ·l/A. Mit R = ohmscher Widerstand des Sicherungsbereiches 10, ρ = spezifischer Widerstand des verwendeten Materials, l = Sicherungslänge 18, und A = Leiterquerschnitt 20. Der spezifische Widerstand ist eine Materialkonstante, wodurch der elektrische Widerstand des Sicherungsbereiches bei gegebenem Material durch die Sicherungslänge 18 und den Leiterquerschnitt 20 eingestellt werden kann. Im gezeigten Beispiel ist die Sicherungslänge 18 die freie Länge des hohlzylindrischen Leiters 10, die nicht mit anderen metallischen und somit leitenden Materialien verbunden ist. Der Leiter kann aber in Verbindung mit Isolatoren, z. B. Kunststoffen oder Keramiken stehen.An electrical resistance during a current flow through the conductor 10 is essentially due to the electrical resistance in the safety area 16 of the leader 10 certainly. The electrical resistance is calculated according to the physical formula: R = ρ · l / A. With R = ohmic resistance of the fuse area 10 , ρ = specific resistance of the material used, l = fuse length 18 , and A = conductor cross section 20 , The resistivity is a material constant, which increases the electrical resistance of the fuse area for a given material by the fuse length 18 and the conductor cross-section 20 can be adjusted. In the example shown, the fuse length is 18 the free length of the hollow cylindrical conductor 10 which is not associated with other metallic and thus conductive materials. However, the conductor can be used in conjunction with insulators, for. As plastics or ceramics.

Im Falle eines Kurzschlusses wird die komplette Verlustleistung PVerlust = I2·R in Wärmeleistung PWärme = Cp·m·ΔT/Δt umgesetzt. Mit Cp = spezifische Wärmekapazität, m = Masse des Leiters im Sicherungsbereich 16, ΔT = Temperaturdifferenz des Leiters im Sicherungsbereich, wobei die obere Temperatur die Schmelztemperatur des Leiters im Sicherungsbereich und die untere Temperatur die Raumtemperatur ist, Δt = Zeitspanne bis zum Schmelzen des Leiters im Sicherungsbereich. In the case of a short circuit, the total power loss P loss = I 2 · R is converted into heat output P heat = C p · m · ΔT / Δt. With C p = specific heat capacity, m = mass of the conductor in the fuse area 16 , ΔT = temperature difference of the conductor in the fuse area, where the upper temperature is the melting temperature of the conductor in the fuse area and the lower temperature is the room temperature, Δt = time until the conductor melts in the fuse area.

So ergibt sich beispielsweise für Kupfer als Leitermaterial im Sicherungsbereich ein ΔT Wert von ca. 1330 K. Dieser ΔT Wert sollte als Zielvorgabe im Kurzschlussfall beispielsweise innerhalb von 50 ms quasi-adiabatisch mit der Umgebung bei einem Stromfluss von 2000 A erreicht werden. Aus diesen Parametern können die Sicherungslänge 18 und der Leiterquerschnitt 20 für die Auslegung der Sicherung ermittelt werden. Die Formel m = ρm·l·A, mit ρm = Dichte des Leitermaterials im Sicherungsbereich stellt den Zusammenhang zwischen den oben genannten Formeln des ohmschen Widerstandes R und der Wärmeleistung PWärme her.Thus, for example, for copper as a conductor material in the fuse area, a ΔT value of approximately 1330 K. This ΔT value should be achieved as a target in the event of a short circuit, for example within 50 ms quasi-adiabatic with the environment at a current flow of 2000 A. From these parameters, the fuse length 18 and the conductor cross-section 20 be determined for the design of the fuse. The formula m = ρ m · l · A, where ρ m = density of the conductor material in the fuse area establishes the relationship between the above-mentioned formulas of the ohmic resistance R and the heat output P heat .

2 zeigt eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Im Unterschied zur in 1 gezeigten ersten Ausführungsform weist der Leiter 10 im Sicherungsbereich 16 eine Sicherungsstruktur 22 auf. Dazu kann der Leiter 10 im Sicherungsbereich 16 und beispielsweise über die gesamte Sicherungslänge 18 in Leiterrichtung alternierende Verdickungen und Verjüngungen des Leiterquerschnittes 20 umfassen. Bei unzulässig hohen Strömen durch den Leiter 10 fungieren die Verjüngungen als Wärmequellen, während die Verdickungen als Wärmesenken wirken, wodurch der Leiter 10 im Sicherungsbereich 16 innerhalb der Verjüngungen zu schmelzen beginnt. 2 shows a sectional view through a connection region of a battery cell according to the invention according to a second preferred embodiment. Unlike in 1 shown first embodiment, the conductor 10 in the security area 16 a backup structure 22 on. For this the leader can 10 in the security area 16 and for example over the entire fuse length 18 in the direction of the conductor alternating thickening and tapering of the conductor cross-section 20 include. For inadmissibly high currents through the conductor 10 The tapers act as heat sources, while the thickenings act as heat sinks, causing the conductor 10 in the security area 16 begins to melt within the rejuvenations.

3 zeigt eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform. In den Hohlraum 12 ist im Sicherungsbereich 16 ein Löschmedium 26 eingebracht. Damit das Löschmedium 26 bei Vibrationsbelastungen oder bei Bewegungen, bei welchen der Leiter oder die Batteriezelle über Kopf gelagert wird, nicht herausfällt, ist der Hohlraum 12 mit einem Verschluss 28 verschlossen. Bei Löschmedien 26, welche auf Sand basieren, kann das Verschließen erfolgen, indem der oberste Teil des Sandes durch eine Flamme mit hoher Temperatur angeschmolzen wird. Hierdurch entsteht ein Glaspfropfen, welcher kombiniert mit einer entsprechenden geometrischen Anpassung des Leiters 10 ein Herausfallen des Löschmediums 26 verhindert. In 3 ist diese Anpassung des Leiters als rundum laufende Nut auf Höhe des Verschlusses 28 ersichtlich. 3 shows a sectional view through a connection region of a battery cell according to the invention according to a third preferred embodiment. In the cavity 12 is in the security area 16 an extinguishing medium 26 brought in. So the extinguishing medium 26 in vibration loads or in movements in which the head or the battery cell is stored overhead, does not fall out, the cavity 12 with a lock 28 locked. For extinguishing media 26 which are based on sand, the closing can be done by the upper part of the sand is melted by a flame at high temperature. This creates a glass plug, which combines with a corresponding geometric adjustment of the conductor 10 falling out of the extinguishing medium 26 prevented. In 3 is this adaptation of the conductor as a round running groove at the level of the closure 28 seen.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2010/0255351 A1 [0005] US 2010/0255351 A1 [0005]

Claims (10)

Batteriezelle mit einem formstabilen Batteriezellengehäuse umfassend einen Polanschluss (14) und einen Leiter (10), wobei der Leiter (10) den Polanschluss (14) mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter einen Sicherungsbereich (16) mit einem Hohlraum (12) ausbildet, ein Leiterquerschnitt (20) eine um den Hohlraum (12) umlaufende Gestalt aufweist und der Leiterquerschnitt (20) im Sicherungsbereich des Hohlraumes (12) kleiner ist als in den angrenzenden Bereichen des Leiters (10), derart, dass der Leiter (10) im Sicherungsbereich als Schmelzsicherung wirkt.Battery cell with a dimensionally stable battery cell housing comprising a pole terminal ( 14 ) and a ladder ( 10 ), the leader ( 10 ) the pole connection ( 14 ) electrically connects to a current collector of the battery cell, characterized in that the conductor has a fuse area ( 16 ) with a cavity ( 12 ), a conductor cross-section ( 20 ) one around the cavity ( 12 ) has circumferential shape and the conductor cross-section ( 20 ) in the securing area of the cavity ( 12 ) is smaller than in the adjacent areas of the ladder ( 10 ), such that the conductor ( 10 ) acts as a fuse in the fuse area. Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei der Leiter (10) im Sicherungsbereich (16) eine rohrförmige Kontur aufweist. Battery cell according to claim 1, wherein the conductor ( 10 ) in the security area ( 16 ) has a tubular contour. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leiter (10) im Sicherungsbereich (16) ausgelegt ist, bei einem Strom ≥ 25 % des Kurzschlussstroms der voll geladenen Batteriezelle zu schmelzen. Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the conductor ( 10 ) in the security area ( 16 ) is designed to melt at a current ≥ 25% of the short-circuit current of the fully charged battery cell. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leiter (10) im Sicherungsbereich (16) wenigstens eine Verjüngung des Leiterquerschnittes umfasst.Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the conductor ( 10 ) in the security area ( 16 ) comprises at least one taper of the conductor cross-section. Batteriezelle nach Anspruch 4, wobei der Leiter (10) im Sicherungsbereich (16) in Leiterrichtung alternierende Verdickungen und Verjüngungen des Leiterquerschnittes (20) umfasst.Battery cell according to claim 4, wherein the conductor ( 10 ) in the security area ( 16 ) in the conductor direction alternating thickening and tapering of the conductor cross-section ( 20 ). Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Hohlraum (12) ein Löschmedium (26) eingebracht ist. Battery cell according to one of the preceding claims, wherein in the cavity ( 12 ) an extinguishing medium ( 26 ) is introduced. Batteriezelle nach Anspruch 6, wobei das Löschmedium (26) Quarzsand enthält.Battery cell according to claim 6, wherein the extinguishing medium ( 26 ) Contains quartz sand. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.Battery cell according to one of the preceding claims, wherein the battery cell is a lithium-ion battery cell. Batterie umfassend eine Mehrzahl an Batteriezellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.A battery comprising a plurality of battery cells according to one of the preceding claims. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 9.Motor vehicle with a battery according to claim 9.
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