DE102012215058A1 - Battery cell i.e. lithium-ion cell, for e.g. electric car, has built-in diaphragm in connection with thermostat, where diaphragm is pressed outwards and opens thermostat when pressure within housing is greater than predetermined pressure - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einem Temperaturschalter, welcher mit einer Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden, wärmeleitfähig mit der Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei einer Temperatur größer einer vordefinierten Temperatur zu öffnen. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie umfassend die erfindungsgemäße Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Batterie.The present invention relates to a battery cell having a battery cell housing and a temperature switch, which is electrically conductively connected to an electrode of the battery cell, thermally coupled to the battery cell and adapted to open at a temperature greater than a predefined temperature. Furthermore, the invention relates to a battery comprising the battery cell according to the invention and a motor vehicle comprising the battery according to the invention.
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 (mobilen) Geräten, wie Laptops, Mobiltelefonen, oder Werkzeugen (PowerTools) neue Batteriesysteme als Energiespeicher zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund von relativ hohen Energiedichten werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien für diese Anwendungen eingesetzt.It is becoming apparent that in the future both in stationary applications such as wind turbines, in vehicles designed as hybrid or electric vehicles, and in (mobile) devices such as laptops, mobile phones, or tools (Power Tools) new battery systems as energy storage which are subject to very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life. Due to relatively high energy densities, lithium-ion batteries are used in particular for these applications.
Unter Batteriezellen werden Sekundärelemente, also Akkumulatoren verstanden. In der Literatur werden die Begriffe Batteriezelle, Batteriemodul, Subunit, Batterie-Pack und Batterie oftmals auch synonym verwendet.By battery cells secondary elements, ie accumulators understood. In the literature, the terms battery cell, battery module, subunit, battery pack and battery are often used interchangeably.
Insbesondere bei einer Zellchemie, wie sie Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweisen, beeinflusst die Temperatur der Batteriezellen deren Alterung. Werden Lithium-Ionen-Batteriezellen über Temperaturen von ca. 60°C erwärmt, kann zunächst eine beschleunigte Alterung auftreten. Bei Temperaturen ab 120°C besteht die Gefahr eines thermischen Durchgehens (Thermal Runaway), also einer exothermen Zersetzungsreaktion der Batteriezelle.In particular, in a cell chemistry, as they have lithium-ion battery cells, the temperature of the battery cells affected by their aging. If lithium-ion battery cells are heated above temperatures of approx. 60 ° C, accelerated aging may initially occur. At temperatures above 120 ° C there is a risk of thermal runaway, ie an exothermic decomposition reaction of the battery cell.
Deshalb wird nach Stand der Technik bei Batterien ein Thermo-Management-System eingesetzt. Insbesondere mit einer Kühlflüssigkeit arbeitende Thermo-Management-Systeme sind technisch aufwendig, die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Sicherheit, wie z. B. Anforderungen an die Dichtheit, Wärmeübergänge und Regelung, herausfordernd. Das zusätzliche Gewicht durch das Kühlsystem und eine dafür erforderliche Kühlenergie können die Reichweite schmälern.Therefore, a thermal management system is used in the prior art batteries. In particular, working with a coolant thermal management systems are technically complex, ensuring reliability and safety, such. As requirements for the tightness, heat transfer and regulation, challenging. The added weight of the cooling system and the cooling energy required can reduce the range.
Luftgekühlte Systeme benötigen in der Regel eine Luftaufbereitung. Es kann zudem kein dichtes oder geschlossenes System realisiert werden.Air-cooled systems usually require air conditioning. In addition, no tight or closed system can be realized.
Zudem zeigt sich, dass die Notwendigkeit einer Kühlung im normalen Fahrbetrieb durch hohe Wärmekapazitäten der Batteriezellen in der Regel nicht erforderlich ist. Durch die ansonsten für die Kühlung erforderliche Energie wird der Energieinhalt der Batterie effizienter genutzt, was in einer entsprechenden Reichweitenerhöhung resultieren kann. Mit leichteren Fahrzeugen verstärkt sich in der Regel dieser Trend.It also shows that the need for cooling in normal driving operation due to high heat capacity of the battery cells is usually not required. Due to the energy otherwise required for the cooling of the energy content of the battery is used more efficiently, which can result in a corresponding range increase. As a rule, this trend is intensified with lighter vehicles.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und einem Temperaturschalter zur Verfügung gestellt, welcher mit einer Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden, wärmeleitfähig mit der Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei einer Temperatur größer einer vordefinierten Temperatur zu öffnen. Kennzeichnend umfasst die Batteriezelle eine, in das Batteriezellengehäuse integrierte Membran, welche mit dem Temperaturschalter in einer mechanischen Wirkverbindung steht. Dies erfolgt derart, dass bei einem Druck innerhalb des Batteriezellengehäuses größer einem vordefinierten Druck die Membran nach außen gedrückt wird und den Temperaturschalter öffnet.According to the invention, a battery cell with a battery cell housing and a temperature switch is provided, which is electrically conductively connected to an electrode of the battery cell, thermally coupled to the battery cell and adapted to open at a temperature greater than a predefined temperature. Characteristically, the battery cell comprises a membrane integrated into the battery cell housing which is in mechanical mechanical connection with the temperature switch. This is done such that at a pressure within the battery cell housing greater than a predefined pressure, the membrane is pressed outward and opens the temperature switch.
Die Membran wird beispielsweise nach außen gedrückt, indem sie sich aufgrund des Überdrucks innerhalb der Batteriezelle, verglichen mit dem Druck außerhalb der Batteriezelle, dehnt und nach außen – also in Richtung einer von der Batteriezelle abgewandten Seite – wölbt. Die Membran kann beispielsweise eine Membran sein, welche in einem störungsfreien Betrieb nach innen – also zum Inneren des Batteriezellengehäuses – gewölbt ist und beim Auftreten eines Überdrucks sprungartig nach außen klappt. Der Begriff Temperaturschalter ist nicht auf Temperaturschalter als Standardbauteile beschränkt, sondern bezieht sich z. B. auch auf Ausführungen, welche lediglich die zur Schaltfunktion wesentlichen, insbesondere mechanischen Merkmale umfassen.For example, the membrane is forced outward by being over-pressurized within the battery cell as compared to the pressure outside the battery cell, stretches and outwards - ie in the direction of a side facing away from the battery cell - arches. The membrane may be, for example, a membrane, which in a trouble-free operation inward - ie to the interior of the battery cell housing - is curved and works when an overpressure jumps outwards. The term temperature switch is not limited to temperature switch as standard components, but refers z. B. also on versions which include only the essential for switching function, in particular mechanical features.
Durch diese, in die Batteriezelle integrierte „Zellsicherung“, welche einerseits temperatur-, andererseits auch druckgesteuert aktiviert wird, erfolgt eine maßgebliche Erhöhung der Sicherheit. Somit erfolgt eine Überwachung und Regelung einer Temperatur und/oder eines Stromflusses und eine Trennung des Stromflusses an und/oder auch in der Batteriezelle. Die Temperatur bezieht sich dabei auf die Temperatur des Temperaturschalters, welcher mit der Batteriezelle wärmeleitfähig gekoppelt ist, sodass eine Temperaturerhöhung der Batteriezelle mit einer Temperaturerhöhung des Temperaturschalters einhergeht. Der Stromfluss bezeichnet einen möglichen Stromfluss, welcher in die oder aus der Batteriezelle gerichtet ist.Through this, in the battery cell integrated "cell fuse", which is activated on the one hand temperature, on the other hand pressure controlled, there is a significant increase in security. Thus, there is a monitoring and control of a temperature and / or current flow and a separation of the current flow and / or in the battery cell. The temperature refers to the temperature of the temperature switch, which is thermally coupled with the battery cell, so that a temperature increase of the battery cell is accompanied by an increase in temperature of the temperature switch. The current flow denotes a possible current flow, which is directed into or out of the battery cell.
Die Erfindung stellt ein einfach zu realisierendes Schalt- bzw. Regel-System dar, welches auch rein mechanisch funktionsfähig ist. Es wird somit ein Sicherheitssystem ermöglicht, welches eine thermische Überlastung, z. B. durch zu hohe Leistungsabgabe und/oder Eigenerwärmung jeder einzelnen Batteriezelle ausschließt. Dadurch, und weil die Erfindung bereits auf einer Zellebene funktioniert, ergibt sich eine erhöhte Sicherheit. Somit kann die Erfindung ergänzend, als Vereinfachung oder als Ersatz des Batterie-Management-Systems angesehen werden. Gegebenenfalls können das Batterie-Management-System und/oder auch ein Thermo-Management-System entfallen, ohne die Funktionsfähigkeit einzuschränken. The invention is an easily implemented switching or control system, which is also purely mechanically functional. It is thus possible a security system, which thermal overload, z. B. excludes too high power output and / or self-heating of each individual battery cell. This, and because the invention already works on a cellular level, results in increased security. Thus, the invention may additionally be considered simplification or replacement of the battery management system. Optionally, the battery management system and / or a thermal management system can be omitted without restricting the functionality.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, eine Abschaltung der Leistung der Batteriezelle aufgrund physikalischer Zusammenhänge zu ermöglichen. So wird eine Veränderung einer Schalterstellung des Temperaturschalters durch eine Temperatur- und/oder Druckänderung bewirkt. Somit wird ein einfaches Schalt- und/oder Regelsystem ermöglicht, welches sowohl innerhalb der eigentlichen Batteriezelle als auch außerhalb derselben angeordnet sein kann und keiner störanfälligen Steuerelektronik bedarf. Zudem erfolgt die Regelung auf einem Level, wo Wärme entsteht, insbesondere direkt auf der Oberfläche der Batteriezelle und/oder auch an elektrischen Leitern und nicht erst z. B. auf einem System- oder Pack-Level. Dadurch erfolgt ein Ersatz oder zumindest eine Reduzierung und/oder eine wesentliche Vereinfachung des Temperiersystems insbesondere auf Systemebene sowie eine wesentliche Gewichtsersparnis des mobilen Systems, wodurch eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erfolgt. Die Regelung erfolgt sehr schnell, da keine hohen Wärmekapazitäten vorhanden sind, welche die Regelung und Temperaturerfassung erschweren und/oder verlangsamen können. The invention is based on the principle to enable a shutdown of the performance of the battery cell due to physical relationships. Thus, a change of a switch position of the temperature switch is effected by a change in temperature and / or pressure. Thus, a simple switching and / or control system is possible, which can be arranged both within the actual battery cell and outside of the same and requires no fault-prone control electronics. In addition, the regulation takes place at a level where heat is generated, in particular directly on the surface of the battery cell and / or on electrical conductors and not only z. At a system or pack level. This results in a replacement or at least a reduction and / or a substantial simplification of the tempering system in particular at system level and a significant weight saving of the mobile system, whereby an increase in the overall efficiency takes place. The regulation is very fast, since there are no high heat capacities, which complicate the control and temperature detection and / or can slow down.
Somit ist eine Leistungsregelung wie beschrieben auf Zellebene möglich, eine Überwachung ist weiterhin nach Stand der Technik auf Systemebene möglich.Thus, a power control as described at the cell level is possible, monitoring is still possible according to the prior art at the system level.
Ferner ist dadurch eine Vermeidung einer sicherheitskritischen Temperatur durch eine Stromunterbrechung auf der Zellebene möglich. Dies resultiert in einer Vermeidung einer unzulässig hohen Eigenerwärmung (überlagert einer vorhandenen Umgebungstemperatur) z. B. durch eine zu hohe Leistungsabgabe der Batteriezelle.Furthermore, this makes it possible to avoid a safety-critical temperature due to a power interruption at the cell level. This results in avoiding an inadmissibly high self-heating (superimposed on an existing ambient temperature) z. B. by too high power output of the battery cell.
Ferner wird eine individuelle Schaltung und/oder Regelung von Batteriezellen ermöglicht. Dies resultiert bei einem Zusammenschluss mehrerer Batteriezellen, z. B. zu einem Batteriemodul, in einer individuellen Leistungsreduzierung der betroffenen Batteriezelle. Dadurch wird in der Regel auch die Temperatur der Batteriezelle beeinflusst. Dies ist insbesondere sinnvoll bei einem reparaturbedingten, teilweisen Ersatz bereits gealterter Batteriezellen und/oder bei einer Streuung. Furthermore, an individual circuit and / or regulation of battery cells is made possible. This results in a merger of multiple battery cells, z. B. to a battery module, in an individual power reduction of the affected battery cell. As a result, the temperature of the battery cell is usually influenced as well. This is particularly useful in a repair-related, partial replacement of already aged battery cells and / or in a scattering.
Des Weiteren ist die Erfindung mit bereits eingesetzten, vorhandenen Sicherheitsfunktionen wie z. B. einer Überladeschutzvorrichtung (Overcharge Safety Device, kurz OSD), oder einem Batterie-Management-System (BMS) kombinierbar. Furthermore, the invention is already in use, existing security features such. B. a Überladeschutzvorrichtung (Overcharge Safety Device, short OSD), or a battery management system (BMS) combined.
Die Erfindung funktioniert auch während des Ladens oder Entladens der Batteriezelle. Außerdem ist das Batteriesystem mit einer Temperierung, insbesondere einer Kühlung, die in eine stationäre Ladestation integriert sein kann, kombinierbar. Somit ist ein Schnellladen ohne eine Überdimensionierung einer Temperiereinrichtung für den normalen Fahrbetrieb möglich. Auch eine eventuell erforderliche Erwärmung der Batteriezelle, z. B. bei einem Kaltstart, kann durch die Ladestation oder eine Abwärme einer Leistungselektronik realisiert werden. Daraus resultiert eine weitere Gewichtsersparnis des mobilen Systems.The invention also works during charging or discharging of the battery cell. In addition, the battery system can be combined with a temperature control, in particular cooling, which can be integrated in a stationary charging station. Thus, a fast charging without oversizing a temperature control for normal driving is possible. Even a possibly required heating of the battery cell, z. As in a cold start, can be realized by the charging station or waste heat of a power electronics. This results in a further weight saving of the mobile system.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (Sekundärzelle). Durch Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie wird insbesondere eine hohe Energiedichte erreicht, was besonders im Bereich der Elektromobilität weitere Vorteile mit sich bringt.According to a preferred embodiment of the invention, the battery cell is a lithium-ion battery cell (secondary cell). By using the lithium-ion technology is in particular a high energy density is achieved, which brings further advantages, especially in the field of electromobility.
Bevorzugt ist der Temperaturschalter wärmeleitfähig mit einem inneren Terminal der Batteriezelle und/oder dem Batteriezellengehäuse gekoppelt. Der innere Terminal bezeichnet einen Polanschluss der Batteriezelle, welcher eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Elektrode der Batteriezelle herstellt und von dem Temperaturschalter kontaktiert werden kann. Diese in der Regel metallische Verbindung zur Elektrode weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch eine vorteilhafte Wärmeübertragung von der Elektrode auf den Temperaturschalter erfolgen kann. Typischerweise umfassen insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen einen Kupferterminal und einen Aluminiumterminal. Vorteilhaft ist der Temperaturschalter mit dem Kupferterminal gekoppelt, da dieser einen höheren Wärmeleitkoeffizienten aufweist.Preferably, the temperature switch is thermally conductive coupled to an inner terminal of the battery cell and / or the battery cell housing. The inner terminal denotes a pole terminal of the battery cell, which makes an electrically conductive connection to the electrode of the battery cell and can be contacted by the temperature switch. This usually metallic connection to the electrode has a high thermal conductivity, whereby an advantageous heat transfer from the electrode to the temperature switch can take place. In particular, lithium-ion battery cells typically include a copper terminal and an aluminum terminal. Advantageously, the temperature switch is coupled to the copper terminal, since this has a higher thermal conductivity coefficient.
Vorzugsweise umfasst der Temperaturschalter ein Bimetallelement, welches das Batteriezellengehäuse wärmeleitfähig kontaktiert. Das Bimetallelement ist ein Teil des Temperaturschalters, welches zu dessen Steuerung dient. Dies erfolgt, indem sich der Bimetallschalter bei einer Änderung seiner Temperatur verformt. Dadurch, dass das Bimetallelement das Batteriezellengehäuse wärmeleitfähig kontaktiert, ergeben sich Vorteile bei der Wärmeübertragung von der Batteriezelle auf das Bimetallelement.Preferably, the temperature switch comprises a bimetallic element, which makes contact with the battery cell housing in a thermally conductive manner. The bimetallic element is part of the temperature switch which serves to control it. This is done by deforming the bimetallic switch with a change in its temperature. The fact that the bimetallic element contacts the battery cell housing in a thermally conductive manner affords advantages in the transfer of heat from the battery cell to the bimetallic element.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bimetallelement die Membran an deren, von der Batteriezelle abgewandten Seite zumindest teilweise bedeckt, derart, dass das Bimetallelement von der nach außen gedrückten Membran verformbar ist. Wird die Membran aufgrund eines Überdrucks innerhalb des Batteriezellengehäuses nach außen gedrückt, drückt diese in Folge auch das Bimetallelement nach außen, welches dabei verformt wird.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the bimetallic element at least partially covers the membrane at its side facing away from the battery cell, such that the bimetallic element is deformable by the outwardly pressed membrane. If the membrane is pressed outwardly due to an overpressure within the battery cell housing, this also pushes the bimetallic element outwards, which is thereby deformed.
Bevorzugt umfasst der Temperaturschalter einen Sprungschalter, welcher vom Bimetallelement betätigbar ist. Der Sprungschalter verhindert einen Lichtbogen während des Schaltvorganges, indem er sprungartig von einer Schalterstellung in die andere wechselt.Preferably, the temperature switch comprises a snap-action switch which can be actuated by the bimetallic element. The snap switch prevents an arc during the switching process by jumping from one switch position to the other.
Vorzugsweise ist ein Teil des Sprungschalters als Polanschluss der Batteriezelle ausgeformt. Der Polanschluss der Batteriezelle ist einer von typischerweise zwei Polanschlüssen der Batteriezelle und wird dazu genutzt, der Batteriezelle elektrische Energie zuzuführen oder abzurufen. Dadurch, dass der Polanschluss einstückig mit dem Sprungschalter ausgeführt ist, werden ansonsten zwischen dem Polanschluss und dem Sprungschalter auftretende Kontaktwiderstände vermieden.Preferably, a part of the snap-action switch is formed as a pole terminal of the battery cell. The pole terminal of the battery cell is one of typically two pole terminals of the battery cell and is used to supply or retrieve electrical power to the battery cell. Due to the fact that the pole connection is made in one piece with the snap-action switch, contact resistances which otherwise occur between the pole connection and the snap-action switch are avoided.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Sprungschalter auf dessen, der Batteriezelle zugewandten Seite vom Bimetallelement kontaktierbar. Bei einer Bewegung des Bimetallelements nach außen, also aufgrund einer temperatur- oder druckinduzierten Verformung, öffnet das Bimetallelement den Sprungschalter.According to a preferred embodiment of the invention, the snap-action switch can be contacted by the bimetallic element on its side facing the battery cell. When the bimetallic element moves outwards, ie due to a deformation induced by temperature or pressure, the bimetallic element opens the snap-action switch.
Sind der Bimetallschalter und der Sprungschalter lose aneinander aufliegend oder aufliegbar ausgeführt, so resultiert dies insbesondere in einer nicht reversiblen, also einmaligen schaltenden Ausführung. Dies ist insbesondere für eine Fehlerfall-Abschaltung zweckmäßig. Bevorzugt ist aber auch eine reversible Ausführung denkbar (Steuerung) durch z. B. eine Federrückstellung.If the bimetallic switch and the snap-action switch are designed to rest loosely on one another or to rest on one another, then this results, in particular, in a non-reversible, ie, single-switching design. This is particularly useful for a fault case shutdown. But is also a reversible design conceivable (control) by z. B. a spring return.
Bevorzugt umfasst die Batteriezelle einen elektrischen Isolator, über welchen der Sprungschalter thermisch mit einem inneren Terminal der Batteriezelle verbunden ist. Der Sprungschalter trägt somit zur Wärmeübertragung vom inneren Terminal an das Bimetallelement bei.Preferably, the battery cell comprises an electrical insulator, via which the snap switch is thermally connected to an inner terminal of the battery cell. The snap switch thus contributes to the heat transfer from the inner terminal to the bimetallic element.
Ferner wird eine Batterie umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Batteriezellen zur Verfügung gestellt.Furthermore, a battery comprising a plurality of battery cells according to the invention is provided.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend die erfindungsgemäße Batterie zur Verfügung gestellt. Die Batterie ist in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs vorgesehen.Furthermore, a motor vehicle comprising the battery according to the invention is provided. The battery is usually provided for feeding an electric drive system of the motor 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:
Auf
Ein Temperaturschalter
Der Temperaturschalter kann ein Bimetallelement
In
In
Gleichzeitig kann, wie auch z. B. rein durch eine erhöhte Temperatur möglich, das Bimetallelement
Als Alternative dazu kann im ausgelösten Zustand die Kontaktstelle zwischen dem Bimetallschalter
Durch die Erfindung wird eine integrierte Batteriezellensicherung durch eine Temperaturüberwachung zur Verfügung gestellt. Ab kritischen Temperaturen wird ein Stromfluss in und/oder aus der Batteriezelle unterbrochen. Dadurch können eine thermische Überlastung und damit einhergehend eine sicherheitskritische Temperatur vermieden werden. Solch eine sicherheitskritische Temperatur könnte ansonsten z. B. durch einen Kurzschluss innerhalb eines Batteriesystems oder durch eine zu hohe Leistungsabgabe- und/oder Aufnahme der Batteriezelle
Das Funktionsprinzip einer solchen Abschaltung der Batteriezelle
Bei einem Anstieg der Temperatur auf einen kritischen Betrag öffnet ein Kontakt des Temperaturschalters, der Stromfluss durch die Batteriezelle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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