DE102012219389A1 - Battery for use in motor car, has signal transmitter arranged in region of pressure-sensitive membrane, and electrical switching elements operatively connected with transmitter and formed to disconnect main electric current of battery - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Kraftfahrzeug, verbunden mit der erfindungsgemäßen Batterie, wobei die Batterie mindestens eine galvanische Zelle, die innerhalb eines Zellengehäuses angeordnet ist, sowie eine druckempfindliche Membran umfasst.The present invention relates to a battery and a motor vehicle, connected to the battery according to the invention, wherein the battery comprises at least one galvanic cell, which is arranged within a cell housing, and a pressure-sensitive membrane.
Stand der TechnikState of the art
Eine gasdichte Lithium-Akkumulatorzelle kann unter gewissen Umständen, beispielsweise bei einer Überladung, Überlastung oder auch bei einer Tiefentladung, Gase freisetzen, die gegebenenfalls im Inneren des Zellgehäuses einen hohen Druck erzeugen. Um eine weitere Druckerhöhung und eine damit mögliche Zerstörung der Akkumulator-Zelle bis zum sogenannten „Thermal Runaway“, thermischen Exitus, zu verhindern, ist in die gasdichte Lithium-Akkumulatorzelle ein „Überladungsschutz“ integriert. Dieser umfasst ein metallisch dünnes Plättchen, welches bei Überdruck seine Form verändert und einen Kurzschluss zwischen den elektrischen Polen der Zelle erzeugt. Durch den Kurzschluss-Strom wird eine zellinterne Sicherung zum Unterbrechen des Stroms aktiviert und somit ein Fortführen des Stromflusses vermieden. Dadurch wird in erster Näherung ein eigensicherer Zustand der Zelle herbeigeführt.A gas-tight lithium battery cell may, under certain circumstances, for example in the event of overcharging, overloading or even during a deep discharge, release gases which, if appropriate, generate high pressure inside the cell housing. In order to prevent further pressure increase and thus possible destruction of the battery cell to the so-called "thermal runaway", thermal death, a "overcharge protection" is integrated into the gas-tight lithium battery cell. This includes a metallic thin plate, which changes its shape at overpressure and creates a short circuit between the electrical poles of the cell. The short-circuit current activates an in-cell fuse to interrupt the current, thus avoiding the continuation of current flow. As a result, an intrinsically safe state of the cell is brought about in a first approximation.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche mindestens eine galvanische Zelle umfasst, die innerhalb eines Zellengehäuses angeordnet ist, wobei die Batterie eine druckempfindliche Membran umfasst, die als Teil des Zellengehäuses geformt ist, und die Membran ausgebildet ist, sich in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen der Innenseite des Zellengehäuses und der Außenseite des Zellengehäuses zu verformen, und die Batterie einen Signalgeber umfasst, der im Bereich der Membran angeordnet ist, wobei die Batterie mindestens ein elektrisches Schaltelement aufweist, das mit dem Signalgeber wirkverbunden und ausgebildet ist, einen elektrischen Hauptstrom der Batterie zu trennen.According to the invention, there is provided a battery comprising at least one galvanic cell disposed within a cell casing, the battery comprising a pressure sensitive membrane formed as part of the cell casing, and the membrane being configured to move in response to a pressure difference deforming the inside of the cell housing and the outside of the cell housing, and the battery comprises a signal transmitter which is arranged in the region of the membrane, wherein the battery has at least one electrical switching element which is operatively connected to the signal generator and forms a main electrical current of the battery to separate.
Bevorzugt ist jede Zelle in je einem Zellengehäuse mit je mindestens einer Membran und je mindestens einem Signalgeber angeordnet, wobei im Sinne der Erfindung der Signalgeber nicht einen Hauptstrom schaltet, also bevorzugterweise nicht von einem Hauptstrom durchflossen werden kann, sondern lediglich ein Schaltsignal generiert, welches zu einem Schalter, einem Relais, einem Pyroschalter oder einer Sicherung, vorzugsweise außerhalb des Zellgehäuses befindlich und vorzugsweise einen mehrere Zellen durchfließenden Hauptstrom schaltend, geführt wird, um den Schalter, das Relais, den Pyroschalter oder die Sicherung zum Trennen des Hauptstroms zu aktivieren. Vorzugsweise weist jedes Modul jeweils einen Signalgeber und jeweils mindestens ein Schaltelement zum Trennen des Hauptstroms auf. Bevorzugt weist ein Modul mehr als ein Schaltelement zum Trennen des Hauptstroms auf, um die elektrischen Pole beidseitig von einer Spannung und einem Strom trennen zu können.Preferably, each cell is arranged in each case a cell housing, each with at least one membrane and at least one signal generator, wherein in the context of the invention, the signal generator does not switch a main stream, so preferably can not be traversed by a main stream, but only generates a switching signal, which a switch, a relay, a pyro switch or a fuse, preferably located outside of the cell housing and preferably a multiple cell flowing through main current switching, is performed to activate the switch, the relay, the pyro switch or the fuse for separating the main current. Each module preferably has in each case one signal transmitter and at least one switching element for separating the main current. Preferably, a module has more than one switching element for separating the main current in order to be able to separate the electrical poles from a voltage and a current on both sides.
In einer weiterhin bevorzugten Variante weist jede Zelle einen Signalgeber auf, welcher durch eine Leitungsbusstruktur über Module hinweg zu mindestens einem Schaltelement, bevorzugter zu zwei Schaltelementen zum Trennen des Hauptstroms der Modulanordnung oder der Batterie geführt ist, um die elektrischen Pole der Batterie beidseitig von einer Spannung und einem Strom trennen zu können.In a further preferred variant, each cell has a signal transmitter, which is routed through a line bus structure across modules to at least one switching element, more preferably to two switching elements for separating the main current of the module arrangement or the battery, on both sides of a voltage to the electrical poles of the battery and to be able to separate a current.
Die Erfindung bringt als Vorteil hervor, dass im Schadensfall die Batterie-Zelle in einen unschädlichen Zustand versetzt wird und ein Kurzschluss an der überlasteten Zelle, welcher einen Stromfluss für weitere Zellen nach sich ziehen würde, vermieden wird. Somit sind weitere Zellen vor einer Fehlnutzung geschützt. Auch ist zur Deaktivierung der überlasteten Zelle kein hoher Kurzschluss-Strom mit einer resultierenden Unterbrechung einer internen Sicherung mehr nötig. Das schützt die überlastete Zelle vor einer weiteren Belastung und vor einem sogenannten „Thermal Runaway“. Ebenfalls schützt die Erfindung vor einem zwangsläufig starken Lichtbogen an einer Sicherung, da nicht mehr zwangsläufig ein Kurzschluss-Strom geschaltet wird, welcher zum Trennen der Sicherung führt. Somit wird ebenfalls die Möglichkeit eines Aufschmelzens des Zellgehäuses und die Möglichkeit eins Brands des Elektrolyten vermieden. Ebenso wird durch die Erfindung vermieden, dass infolge eines Kurzschlusses auf Systemebene, welcher zur Durchtrennung der Zellsicherung führt, eine hohe Umkehrspannung, „reverse polarity“, durch die anderen Zellen verursacht, auftritt. Dadurch wird ebenfalls die Möglichkeit von gefährlichen Ausmaßen elektrochemischer Reaktionen an der deaktivierten Zelle vermieden.The invention has the advantage that in the event of damage, the battery cell is put into a harmless state and a short circuit to the overloaded cell, which would cause a flow of current for other cells, is avoided. Thus, further cells are protected against misuse. Also, to deactivate the overloaded cell, a high short-circuit current with a resulting interruption of an internal fuse is no longer necessary. This protects the overloaded cell from further stress and a so-called "thermal runaway". Likewise, the invention protects against a forcibly strong arc on a fuse, since no longer necessarily a short-circuit current is switched, which leads to the disconnection of the fuse. Thus, also the possibility of melting of the cell housing and the possibility of a fire of the electrolyte is avoided. It is also avoided by the invention that, as a result of a short circuit at the system level, which leads to the separation of the cell fuse, a high reverse voltage, "reverse polarity" caused by the other cells occurs. This also creates the possibility of dangerous levels avoided electrochemical reactions on the deactivated cell.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektrische Schaltelement ein Relais.In a preferred embodiment, the electrical switching element is a relay.
Ein Vorteil ist die Möglichkeit, beim Schadensfall in einer Zelle das ganze Modul beziehungsweise das ganze System zu schützen, beispielsweise durch Unterbrechung der leitenden Verbindung zu einem externen Verbraucher oder zu einem Ladegerät.One advantage is the possibility of protecting the entire module or the entire system in the event of damage in a cell, for example by interrupting the conductive connection to an external consumer or to a charger.
Vorzugsweise ist das elektrische Schaltelement ein pyrotechnischer Schalter.Preferably, the electrical switching element is a pyrotechnic switch.
Ein daraus resultierender Vorteil ist, dass das gesamte Batterie-Pack somit elektrisch abtrennbar ist und die Möglichkeit eines weiteren Schadens durch externe Einflüsse vermieden wird.A resulting advantage is that the entire battery pack is thus electrically separable and the possibility of further damage by external influences is avoided.
Bevorzugterweise ist eine Vielzahl druckempfindlicher Membranen im und/oder am Zellengehäuse angeordnet und jeder Zelle eine Vielzahl von Signalgebern zugeordnet, um eine Vielzahl von Druckdifferenzen detektieren zu können.Preferably, a plurality of pressure-sensitive membranes are arranged in and / or on the cell housing and associated with each cell a plurality of signal generators in order to detect a plurality of pressure differences can.
Vorteil ist, dass ein mehrstufiges Warnsystem mit einer Früherkennung und einer mehrstufigen Systemantwort installiert werden kann.The advantage is that a multi-level warning system with early detection and a multi-level system response can be installed.
In einer besonders bevorzugten Variante weist der Signalgeber ein Element zur Messung einer elektrischen Spannung der galvanischen Zelle auf.In a particularly preferred variant, the signal transmitter has an element for measuring an electrical voltage of the galvanic cell.
Vorteilhaft daran ist, dass ein eigensicherer Zustand des Gesamtsystems schnell und rechtzeitig herbeigeführt werden kann.The advantage of this is that an intrinsically safe state of the overall system can be brought about quickly and in a timely manner.
Es ist bevorzugt, dass die galvanische Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle ist.It is preferred that the galvanic cell is a lithium-ion cell.
Als Vorteil ergibt sich, dass Lithium als Ressource gut und günstig verfügbar ist.The advantage is that lithium is well and cheap available as a resource.
Vorzugsweise kann der Signalgeber auf einem Deckel der galvanischen Zelle angeordnet sein.Preferably, the signal generator can be arranged on a cover of the galvanic cell.
Ein dadurch erreichter Vorteil ist eine verminderte Fehleranfälligkeit infolge möglichst verkürzter Leitungswege.An advantage achieved thereby is a reduced susceptibility to errors due to the shortest possible route.
Als zusätzliche Variante sind zwei Schaltelemente mit zwei Anschluss-Terminals der Batterie verbunden und ausgebildet, eine elektrische Spannung der Batterie von beiden Anschluss-Terminals zu trennen.As an additional variant, two switching elements are connected to two terminal terminals of the battery and configured to disconnect a voltage of the battery from both terminal terminals.
Vorteilhaft dabei ist ebenfalls eine elektrische Trennung, da insbesondere eine beidseitige elektrische Trennung erfolgt und somit beide Kontakte/Terminals strom- und spannungsfrei geschaltet werden.An advantage here is also an electrical isolation, as in particular a two-sided electrical isolation takes place and thus both contacts / terminals are switched off current and voltage.
Ferner ist bevorzugt, dass die Verbindung eines ersten Signalausgangs des ersten Signalgebers mit einem zweiten Signalausgang des zweiten Signalgebers eine Leitungsbus-Struktur aufweist.Furthermore, it is preferred that the connection of a first signal output of the first signal generator to a second signal output of the second signal generator has a line bus structure.
Als Vorteil erweisen sich eine dadurch erzielte Verkürzung der Leitungswege und somit eine verbesserte Funktionssicherheit.An advantage achieved thereby shortening of the cable routes and thus an improved reliability.
Bezüglich eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie gemäß einem der zuvor genannten Merkmale offenbart, wobei das Kraftfahrzeug mit der Batterie elektrisch und mechanisch verbunden ist.With regard to a further aspect of the invention, a motor vehicle with a battery according to one of the aforementioned features is disclosed, wherein the motor vehicle is electrically and mechanically connected to the battery.
Vorteil ist eine Nutzung der erfindungsgemäßen Batterie in einem Kraftfahrzeug, wobei insbesondere die verbesserte Sicherheit von Bedeutung ist.Advantage is a use of the battery according to the invention in a motor vehicle, in particular, the improved safety is of importance.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche mindestens eine galvanische Zelle, die in je einem Zellengehäuse eingeschlossen ist, sowie eine druckempfindliche Membran im Zellengehäuse, die ausgebildet ist, auf mindestens eine diskrete Stärke einer Druckdifferenz mit mindestens einem diskreten Ausmaß einer Verformung zu reagieren, und einen Signalgeber im Wirkbereich einer Verformung der Membran umfasst, wobei die Batterie mindestens ein elektrisches Schaltelement aufweist, das mit dem Signalgeber wirkverbunden und ausgebildet ist, einen elektrischen Hauptstrom der Batterie zu trennen.According to a preferred variant of the invention, a battery is provided which comprises at least one galvanic cell enclosed in a respective cell housing and a pressure-sensitive membrane in the cell housing, which is formed to at least a discrete amount of a pressure difference of at least a discrete extent reacting a deformation, and comprises a signal generator in the effective range of deformation of the membrane, wherein the battery has at least one electrical switching element, which is operatively connected to the signal generator and adapted to separate a main electrical current of the battery.
Ebenfalls ist es möglich, dass die Membran mit einem Dehnungsmessstreifen oder einem anderen Element, welches geeignet ist, eine verschieden starke Verformung der Membran zu detektieren, verbunden ist, wodurch ein kontinuierlicher oder fein quantisierter Wertebereich der Membranbiegung erfasst werden kann. In diesem Fall ist der Dehnungsmessstreifen ein Signalgeber. Die Elektronik für den Dehnungsmessstreifen ist ein weiterer Signalgeber.It is also possible that the membrane is connected to a strain gauge or other element suitable for detecting a different degree of deformation of the membrane, whereby a continuous or finely quantized value range of the membrane bending can be detected. In this case, the strain gauge is a signal generator. The electronics for the strain gauge is another signal generator.
Vorzugsweise sind die Gehäuse der Zellen gasdicht ausgebildet, so dass ein Fluid aus dem Inneren der Gehäuse erst ab einer Überschreitung eines bestimmten Gehäuseinnenüberdrucks stattfinden kann mittels bevorzugterweise in die Gehäusewand integrierter Überdruckventile oder Berstöffnungen. Bevorzugterweise weist jede Zelle eine Membran und einen Signalgeber auf, welcher jeweils die verschiedenen Durchbiegungen der Membran detektiert und bezüglich dessen Signalvielfalt zu unterscheiden vermag.Preferably, the housing of the cells are formed gas-tight, so that a fluid from the interior of the housing can take place only from an exceeding of a certain housing internal overpressure by means of preferably in the housing wall integrated pressure relief valves or Burstöffnungen. Preferably, each cell has a membrane and a signal generator, which each detects the different deflections of the membrane and is able to distinguish with respect to the signal variety.
Zeichnungen drawings
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 eine in einen Zellendeckel
Erfindungsgemäß ist im Wirkbereich der Wölbung der Membran
Im Falle einer Anordnung mehrerer Membranen
Dabei ist „x“ ein fortlaufender Index, der andeutet, dass in der bevorzugten Variante mehrere Schaltelemente Sx im Bereich einer Überdruck-Membran
Durch die erfindungsgemäße Abbildung mehrerer Wölbungsstärken der Überdruck-Membran
Auch ist es möglich, dass die Vielzahl von gestapelten Zellen Zx jeweils mindestens ein Schaltelement Sx aufweist, wobei die Schaltelemente Sx untereinander elektrisch verbunden sind.It is also possible that the plurality of stacked cells Zx each have at least one switching element Sx, wherein the switching elements Sx are electrically connected to one another.
Ein Ereignis für einen beispielsweise schwächsten zu registrierenden Überdruck
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dient das Element Sx nicht als Schalter, sondern als elektrischer Anschluss und als mechanische Halterung für einen elektrisch leitend und mechanisch elastisch biegsam ausgebildeten Hebel
Zu jeder Zelle Zx existiert bevorzugterweise mindestens ein jeweils korrespondierendes Schaltelement Sx, das durch eine jeweils vordefinierte Stärke eines Innen-Überdrucks
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dient das Element Sx nicht als Schalter, sondern als elektrischer Anschluss und als mechanische Halterung für einen elektrisch leitend und mechanisch elastisch biegsam ausgebildeten Hebel
Im Falle eines Überdrucks
Eine bevorzugte Ausführungsform, als Alternative zu den Unterbrechungsrelais R1 und R2, weist pyrotechnische Schalter oder pyrotechnische Sicherungen, auch Pyro-Sicherungen genannt, auf. Diese weisen als Vorteil auf, mittels einer elektrochemischen Reaktion hohe Ströme zuverlässig und schnell trennen zu können, ohne dabei logische elektronische Bauteile (aktive Komponenten) zu benötigen.A preferred embodiment, as an alternative to the interrupting relays R1 and R2, comprises pyrotechnic switches or pyrotechnic fuses, also called pyro-fuses. These have the advantage of being able to separate high currents reliably and quickly by means of an electrochemical reaction, without requiring logical electronic components (active components).
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