DE102013203190A1 - Protective device for electrochemical cells - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für mindestens eine elektrochemische Zelle (1), die ein Gehäuse (5) umfasst. Darin ist mindestens ein Schutzelement (10) angeordnet, das eine elektrische Verbindung zwischen einem Terminal-Anschluss (18) und mindestens einer Elektrode (20) ausbildet. Das mindestens eine Schutzelement (10) umfasst mehrere Abschnitte (26, 28, 30). Derjenige der Abschnitte (26, 28, 30), in dem ein Schmelzbereich ausgebildet ist, erstreckt sich im Gehäuse (5) der elektrochemischen Zelle (1) im Wesentlichen in vertikaler Orientierung.The invention relates to a protective device for at least one electrochemical cell (1), which comprises a housing (5). At least one protective element (10) is arranged therein, which forms an electrical connection between a terminal connection (18) and at least one electrode (20). The at least one protective element (10) comprises several sections (26, 28, 30). The section (26, 28, 30) in which a melting area is formed extends in the housing (5) of the electrochemical cell (1) essentially in a vertical orientation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für eine elektrochemische Zelle, die die elektrochemische Zelle vor Beschädigungen, beispielsweise durch Laden, Entladen oder Kurzschluss schützt.The invention relates to a protective device for an electrochemical cell, which protects the electrochemical cell from damage, for example by charging, discharging or short circuit.

Stand der TechnikState of the art

DE 10 2008 063 136 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz einer Lithium-Ionen-Batterie bei thermischer und/oder elektrischer Überlastung infolge einer Fehlfunktion, beispielsweise eines Kurzschlusses oder einer Überladung. Die Lösung gemäß DE 10 2008 063 136 A1 ist einsetzbar in einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug. Eine Batterieelektronik überwacht den Betriebszustand der Lithium-Ionen-Batterie hinsichtlich des Stromwertes, des Spannungswertes, der Temperatur und des Zellinnendruckes. Bei Überschreiten hinterlegter Grenzwerte wird die Lithium-Ionen-Batterie mittels einer Trenneinrichtung vom Bordnetz des Fahrzeugs abgetrennt. Die Trenneinrichtung ist zwischen der Lithium-Ionen-Batterie und dem Bordnetz angeordnet, wobei die Trenneinrichtung als Relais, reversible Sicherung oder pyrotechnischer Schalter ausgebildet sein kann. Die Trenneinrichtung ist in einen Strompfad integriert, wobei bei Aktivierung der Strompfad und damit der Stromfluss unterbrochen wird. DE 10 2008 063 136 A1 discloses a method and apparatus for protecting a lithium-ion battery under thermal and / or electrical overloading due to a malfunction, such as a short circuit or overcharge. The solution according to DE 10 2008 063 136 A1 can be used in a hybrid vehicle or an electric vehicle. Battery electronics monitor the operating status of the lithium-ion battery with regard to the current value, the voltage value, the temperature and the cell internal pressure. When stored limit values are exceeded, the lithium-ion battery is disconnected from the electrical system of the vehicle by means of a disconnecting device. The separating device is arranged between the lithium-ion battery and the electrical system, wherein the separating device can be designed as a relay, reversible fuse or pyrotechnic switch. The separator is integrated into a current path, whereby the current path is interrupted when activated and thus the current flow.

DE 10 2010 049 611 A1 offenbart eine Batteriemoduleinheit für Fahrzeuge, umfassend eine Vielzahl von in Reihe geschalteter Batterieeinzelzellen, welche im Falle einer Störung an vorgesehenen Sollbruchstellen durch eine Sicherheitseinrichtung in Untermodule getrennt werden, deren Netzspannung unterhalb einer kritischen Spannung liegt. Die Sicherheitseinrichtung umfasst eine Vielzahl gleicher oder verschiedenartig ausgebildeter Trennmittel, welche von einer Steuereinheit aktiviert werden, wobei eine mechanische Schädigung zumindest einer Einzelzelle direkt oder indirekt über darauf hinweisende Größen detektiert wird, beispielsweise durch einen Crash- oder Airbag-Sensor. DE 10 2010 049 611 A1 discloses a battery module unit for vehicles, comprising a plurality of battery cells connected in series, which are separated in the event of a fault at predetermined breaking points by a safety device in sub-modules whose mains voltage is below a critical voltage. The safety device comprises a multiplicity of identical or differently designed separating means which are activated by a control unit, wherein a mechanical damage of at least one individual cell is detected directly or indirectly via indicative variables, for example by a crash or airbag sensor.

DE 10 2010 036 379 A1 bezieht sich auf eine Hochvoltbatterie für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, umfassend untereinander verbundene Batteriemodule, wobei Trennmittel vorgesehen sind, welche im Normalbetrieb außerhalb einer elektrischen Verbindung angeordnet sind. Dadurch wird kein zusätzlicher elektrischer Widerstand dargestellt. Ein von Unfallsensoren detektierter Unfall löst eine Aktivierung des Trennmittels aus. DE 10 2010 036 379 A1 relates to a high-voltage battery for hybrid or electric vehicles, comprising interconnected battery modules, wherein release means are provided, which are arranged in normal operation outside an electrical connection. As a result, no additional electrical resistance is displayed. An accident detected by accident sensors triggers activation of the release agent.

Es besteht Bedarf an einer Schutzeinrichtung für eine elektrochemische Zelle, bei der nach einem Auslösen Folgereaktionen, beispielsweise ein Verdampfen von restlichen hochentzündlichen Elektrolyten aus einem Elektrodenensemble einer Batteriezelle oder eine Selbstentzündung durch eine Reaktion von lithiiertem Kohlenstoff mit Luft verhindert werden. There is a need for a protective device for an electrochemical cell in which after a triggering subsequent reactions, such as evaporation of residual highly flammable electrolytes from an electrode ensemble of a battery cell or autoignition by a reaction of lithiated carbon with air are prevented.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Schutzeinrichtung für mindestens eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, die ein Gehäuse umfasst, in dem mindestens ein Schutzelement angeordnet ist. Das mindestens eine Schutzelement bildet eine elektrische Verbindung zwischen einem Terminal-Anschluss und mindestens einer Elektrode oder einem Elektrodenensemble. Das mindestens eine Schutzelement kann einen ersten, einen zweiten und einen dritten Abschnitt aufweisen, wobei der zweite Abschnitt zwischen dem ersten und dritten Abschnitt liegt. Im zweiten Abschnitt befindet sich ein Schmelzbereich. Das mindestens eine Schutzelement ist derart vertikal orientiert, so dass der zweite Abschnitt im eingebauten Zustand unter Zugbeanspruchung steht, da die Elektroden, beziehungsweise das Elektrodenensemble an diesem aufgehängt ist. Die Zugbeanspruchung wird durch das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode hervorgerufen, so dass eine Vorspannung im vertikal angeordneten Teil des mindestens einen Schutzelementes herrscht.According to the invention, a protective device for at least one electrochemical cell is proposed which comprises a housing in which at least one protective element is arranged. The at least one protective element forms an electrical connection between a terminal connection and at least one electrode or an electrode ensemble. The at least one protective element can have a first, a second and a third section, the second section lying between the first and third sections. The second section has a melting area. The at least one protective element is oriented vertically in such a way that the second section is under tensile stress in the installed state, since the electrodes or the electrode ensemble are suspended therefrom. The tensile stress is caused by the weight of the at least one electrode, so that a bias in the vertically arranged part of the at least one protective element prevails.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung weist der zweite Abschnitt eine zweite Breite auf, die geringer als eine Breite der benachbarten Abschnitte des mindestens einen Schutzelements ist.In one embodiment of the protective device according to the invention, the second portion has a second width, which is smaller than a width of the adjacent portions of the at least one protective element.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Schutzelement eine konstante Dicke aufweisen. Alternativ kann das Schutzelement auch als Streifen mit variabler Dicke ausgebildet sein. In der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung kann des Weiteren mindestens ein Abschnitt mit einer Ummantelung ausgestattet sein, die vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyfluoralkylen, Polyphenylsulfid oder Polyimid, hergestellt ist. Die Ummantelung kann als Kunststofffolie, Klebeband oder Kunststoffumspritzung ausgebildet sein. Der Werkstoff der Ummantelung weist vorzugsweise eine niedrigere Schmelztemperatur auf als der Werkstoff, aus dem das mindestens eine Schutzelement hergestellt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Werkstoff der Ummantelung ein Additiv auf, das in einem geschmolzenen Zustand eine Volumenausdehnung des Werkstoffs von 5% bis 15%, bevorzugt 10%, hervorruft. Als Additiv wird bevorzugt ein Flammschutzmittel eingesetzt. Das Flammschutzmittel kann ein Stoff auf einer Phosphatbasis oder Aluminiumhydroxidbasis sein.In a further embodiment, the protective element can have a constant thickness. Alternatively, the protective element may also be designed as a strip with a variable thickness. Furthermore, in the protective device according to the invention, at least one section can be provided with a jacket, which is preferably made of a plastic, in particular a thermoplastic, for example polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyfluoroalkylene, polyphenylsulfide or polyimide. The sheath may be formed as a plastic film, tape or Kunststoffumspritzung. The material of the sheath preferably has a lower melting temperature than the material from which the at least one protective element is made. In a preferred embodiment, the material of the sheath on an additive which causes a volume expansion of the material of 5% to 15%, preferably 10%, in a molten state. As an additive, a flame retardant is preferably used. The flame retardant may be a phosphate based or aluminum hydroxide based material.

In der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung kann der Schmelzbereich derart ausgebildet sein, dass dieser im geschmolzenen Zustand in einen ersten und einen zweiten Endbereich geteilt ist. Beim Schmelzen entsteht zwischen dem ersten und zweiten Endbereich des Schmelzbereiches ein Freiraum, da das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode, beziehungsweise des Elektrodenensembles einen der Endbereiche vom anderen Endbereich aufgrund der Schwerkraft nach unten wegzieht. Der Freiraum weist vorzugsweise eine Weite auf, die für einen Lichtbogen, der mit der in der elektrochemischen Zelle gespeicherten elektrischen Energie erzeugt werden kann, unüberwindbar ist. Bevorzugterweise beträgt die Weite des Freiraums 1 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt 1,4 mm bis 1,5 mm. In the protective device according to the invention, the melting region may be formed such that it is divided in the molten state into a first and a second end region. During melting, a free space is created between the first and second end region of the melting region, since the dead weight of the at least one electrode or the electrode assembly pulls one of the end regions away from the other end region due to gravity. The clearance preferably has a width that is insurmountable for an arc that can be generated with the electrical energy stored in the electrochemical cell. Preferably, the width of the free space is 1 mm to 2 mm, particularly preferably 1.4 mm to 1.5 mm.

Bei Auftreten eines Kurzschlusses tritt im verjüngt ausgebildeten Schmelzbereich eine erhöhte Stromdichte auf die zu einer Wärmeerzeugung führt. Die Wärmeerzeugung lässt dabei den Schmelzbereich selbst und die Ummantelung schmelzen. Der Werkstoff, aus dem die Ummantelung vorzugsweise hergestellt ist, ist im geschmolzenen Zustand fließfähig. Des Weiteren kann der Schmelzbereich nach einem Schmelzen an mindestens einem Endbereich von zerflossenem und wieder erstarrtem Werkstoff der Ummantelung eingeschlossen sein. When a short circuit occurs, an increased current density occurs in the tapered melting region, which leads to heat generation. The heat generation can melt the melting area itself and the sheath. The material from which the sheath is preferably made, is flowable in the molten state. Furthermore, after melting, the melting region may be enclosed at at least one end region of the sheathed and re-solidified material of the sheath.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung ist der Abschnitt des mindestens einen Schutzelements, der den Schmelzbereich aufweist, vertikal orientiert im Gehäuse angeordnet. Im intakten Zustand ist der zweite Abschnitt durch das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode oder mindestens eines Elektrodenensembles mit einer Zugbeanspruchung beaufschlagt. Die Vorspannung wird durch das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode oder des Elektrodenensembles erzeugt. In einer weiteren Ausführungsform weist das mindestens eine Schutzelement einen Biegebereich auf, der im ersten Abschnitt des mindestens einen Schutzelements als Bogenabschnitt, beispielsweise als 90°-Bogen ausgebildet sein kann. Alternativ kann der Biegebereich im dritten Abschnitt des mindestens einen Schutzelements ausgebildet sein.In a preferred embodiment of the protective device according to the invention, the portion of the at least one protective element, which has the melting region, is arranged vertically oriented in the housing. In the intact state of the second section is acted upon by the weight of the at least one electrode or at least one electrode ensemble with a tensile stress. The bias voltage is generated by the weight of the at least one electrode or the electrode ensemble. In a further embodiment, the at least one protective element has a bending region, which may be formed in the first section of the at least one protective element as an arc section, for example as a 90 ° arc. Alternatively, the bending region may be formed in the third section of the at least one protective element.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schutzeinrichtung stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, eine elektrochemische Zelle gegen elektrische Beschädigung nach einem Kurzschluss, beispielsweise infolge eines Unfalls, zu schützen. Bei Auftreten eines Kurzschlusses wird der Stromkreis in der elektrochemischen Zelle unterbrochen. Beim Schmelzen des Schmelzbereichs im zweiten Abschnitt erzeugt das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode oder des mindestens einen Elektrodenensembles eine Absenkbewegung des Elektrodenensembles bzw. der mindestens einen Elektrode, wodurch ein Freiraum zwischen den einander gegenüber liegenden Enden des aufgeschmolzenen Schmelzbereichs entsteht. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird das Eigengewicht der Einbauten, d.h. der mindestens einen Elektrode bzw. des mindestens einen Elektrodenensembles zur Trennung der elektrischen Verbindung ausgenutzt. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann in vorteilhafter Weise an jeder Stelle einer Batterie angebracht werden. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist wartungsfrei und kann auch an Stellen in einer Batterie eingebaut werden, die nur schwer zugänglich sind. Durch Aktivierung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung werden chemische Reaktionen im Zellinneren, bei denen Gasentwicklung oder Entzündung auftreten kann, vermieden. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung erhöht die Sicherheit beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle und vermeidet Schäden, die durch einen Kurzschluss hervorgerufen werden, der beispielsweise bei einem Unfall auftreten kann. The protective device proposed according to the invention provides a possibility of protecting an electrochemical cell against electrical damage after a short circuit, for example as a result of an accident. When a short circuit occurs, the circuit in the electrochemical cell is interrupted. Upon melting of the melting region in the second section, the dead weight of the at least one electrode or of the at least one electrode ensemble produces a lowering movement of the electrode ensemble or of the at least one electrode, whereby a free space is created between the mutually opposite ends of the molten melting region. By the solution proposed according to the invention, the weight of the internals, i. the at least one electrode or the at least one electrode ensemble exploited for the separation of the electrical connection. The protective device according to the invention can be attached in an advantageous manner at each point of a battery. The protective device according to the invention is maintenance-free and can also be installed in places in a battery that are difficult to access. By activating the protective device according to the invention, chemical reactions in the cell interior in which gas evolution or inflammation can occur are avoided. The protective device according to the invention increases the safety when operating an electrochemical cell and avoids damage caused by a short circuit, which can occur, for example, in an accident.

Des Weiteren ist die vorgeschlagene Schutzeinrichtung einfach und kostengünstig herstellbar und kann in einer Vielzahl von Typen von elektrochemischen Zellen eingesetzt werden. Die Montage der Schutzeinrichtung kann mit minimalem Aufwand in einen Fertigungsprozess, z.B. eine Batterieherstellung, integriert werden. Ferner gewährleistet die Verjüngung des mindestens einen Schutzelements im zweiten Abschnitt eine einfache Herstellbarkeit. Mindestens ein Endbereich des Schmelzbereichs wird im geschmolzenen Zustand vom geschmolzenen Werkstoff der Ummantelung umflossen und dadurch elektrisch isoliert. Hierdurch ist ein schneller und zuverlässiger Einschluss mindestens eines Endbereichs des geschmolzenen Schmelzbereichs möglich, wodurch die Betriebssicherheit einer elektrochemischen Zelle weiter gesteigert wird.Furthermore, the proposed protective device is simple and inexpensive to produce and can be used in a variety of types of electrochemical cells. The installation of the protective device can be carried out with minimal effort into a manufacturing process, e.g. a battery manufacturing, integrated. Furthermore, the taper of the at least one protective element in the second section ensures easy manufacturability. At least one end region of the melting region is fused in the molten state by the molten material of the sheath and thereby electrically insulated. As a result, a rapid and reliable inclusion of at least one end region of the molten melting region is possible, whereby the reliability of an electrochemical cell is further increased.

Ist der zweite Abschnitt des mindestens einen Schutzelements vertikal angeordnet ist, bewirkt die Zugbeanspruchung des Schmelzbereichs durch die mindestens eine Elektrode oder des mindestens einen Elektrodenensembles, dass sich das elektrodenseitige Ende des mindestens einen Schutzelements in einem geschmolzenen Zustand des Schmelzbereichs aufgrund des Eigengewichts absenkt. Das Absenken des elektrodenseitigen Endbereichs des Schmelzbereichs des mindestens einen Schutzelements erzeugt einen Freiraum zwischen den Endbereichen. Der vergrößerte Freiraum gewährleistet eine erhöhte Sicherheit gegen das Auftreten eines Lichtbogens, der durch die in der elektrochemischen Zelle gespeicherte elektrische Energie entstehen kann. Eine Entzündung von Elektrolyten oder Gasen in der elektrochemischen Zelle wird verhindert. Die Funktionsweise der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schutzeinrichtung ist inhärent sicher, so dass das Risiko einer Selbstentzündung von Elektrolyten oder Gasen in der elektrochemischen Zelle infolge eines Kurzschlusses bei einem Unfall weiter minimiert wird.If the second portion of the at least one protective element is arranged vertically, the tensile stress of the melting region by the at least one electrode or the at least one electrode ensemble causes the electrode-side end of the at least one protective element to lower in a molten state of the melting region due to its own weight. The lowering of the electrode-side end region of the melting region of the at least one protective element creates a clearance between the end regions. The increased clearance ensures increased safety against the occurrence of an arc, which can be caused by the electrical energy stored in the electrochemical cell. Ignition of electrolytes or gases in the electrochemical cell is prevented. The operation of the invention proposed The protective device is inherently safe, so that the risk of spontaneous ignition of electrolytes or gases in the electrochemical cell due to a short circuit in an accident is further minimized.

Des Weiteren verfließt in der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung die Ummantelung beim Auftreten eines Kurzschlusses gleichzeitig mit dem Schmelzbereich. Das Verfließen des Werkstoffs der geschmolzenen Ummantelung gewährleistet einen Einschluss der Endbereiche des geschmolzenen Schmelzbereichs und verhindert ein Entstehen eines Lichtbogens zwischen den getrennten Endbereichen des mindestens einen Schutzelements. Das Schmelzen und Zerfließen des Werkstoffs der Ummantelung wird unmittelbar durch ein Schmelzen des Schmelzbereichs des mindestens einen Schutzelements ausgelöst. Ferner gewährleistet eine Volumenausdehnung von 5% bis 15% des Werkstoffs der Ummantelung im geschmolzenen Zustand einen durchgehenden und zuverlässigen Einschluss der Endbereiche des Schmelzbereichs und erzeugt eine elektrische Isolation der mindestens einen Elektrode oder des mindestens einen Elektrodenensembles. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung verbessert insgesamt die Sicherheit beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle und vereinfacht deren Einsatz sicherheitskritischen Anwendungen, wie z.B. Kraftfahrzeugen.Furthermore, in the proposed protective device, the sheath leaks simultaneously with the melting region when a short circuit occurs. The flow of the material of the molten shell ensures inclusion of the end portions of the molten melting portion and prevents arcing between the separated end portions of the at least one protective member. The melting and deliquescence of the material of the casing is triggered directly by melting the melting region of the at least one protective element. Furthermore, a volume expansion of 5% to 15% of the material of the shell in the molten state ensures a continuous and reliable enclosure of the end regions of the melting region and creates an electrical insulation of the at least one electrode or of the at least one electrode assembly. Overall, the protection device according to the invention improves the safety in the operation of an electrochemical cell and simplifies its use in safety-critical applications, such as e.g. Motor vehicles.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren eingehender beschrieben.Further aspects and advantages of the invention will now be described in more detail with reference to the accompanying figures.

Hierbei zeigt:Hereby shows:

1 in schematischer Form eine Schmelzsicherung nach dem Stand der Technik; 1 in schematic form a fuse according to the prior art;

2 eine elektrochemische Zelle; 2 an electrochemical cell;

3 schematisch ein Schutzelement einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung; 3 schematically a protective element of a first embodiment of the protective device according to the invention;

4 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schutzeinrichtung angeordnet zwischen einem Batterieterminal und einem Elektrodenensemble, 4 shows a side view of the protective device according to the invention proposed arranged between a battery terminal and an electrode ensemble,

5 ein Schutzelement mit einer Ummantelung; 5 a protective element with a sheath;

6 ein Schutzelement mit Ummantelung in einem geschmolzenen Zustand des Schmelzbereichs der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung und 6 a protective element with a sheath in a molten state of the melting region of the protective device according to the invention and

7 eine Seitenansicht der in 6 dargestellten Draufsicht auf das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schutzelement. 7 a side view of in 6 illustrated plan view of the inventively proposed protective element.

1 zeigt ein Schutzelement gemäß dem Stand der Technik. Das Schutzelement 10 weist eine Streifenform mit Fortsätzen 17, 19 auf. Der erste Fortsatz 17 stellt eine elektrische Verbindung zu einem Terminal-Anschluss 18 einer elektrochemischen Zelle 1 her. Der zweite Fortsatz 19 verbindet das Schutzelement 10 mit einer Elektrode 20. Darüber hinaus weist das Schutzelement 10 eine Verzweigung auf, die einen ersten und einen zweiten verzweigten Querschnitt 12, 14 umfasst. Zwischen dem ersten und zweiten verzweigten Querschnitt 12, 14 des Schutzelements 10 ist eine Ausnehmung 16 vorgesehen. 1 shows a protective element according to the prior art. The protective element 10 has a strip shape with extensions 17 . 19 on. The first extension 17 provides an electrical connection to a terminal connection 18 an electrochemical cell 1 ago. The second extension 19 connects the protective element 10 with an electrode 20 , In addition, the protective element points 10 a branch on, which has a first and a second branched cross-section 12 . 14 includes. Between the first and second branched cross section 12 . 14 of the protective element 10 is a recess 16 intended.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 2 ist schematisch eine elektrochemische Zelle 1 dargestellt, die ein Gehäuse 5 aufweist und mit Terminal-Anschlüssen 18 versehen ist. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung befindet sich im Inneren des Gehäuses 5.In 2 is schematically an electrochemical cell 1 shown a housing 5 has and with terminal connections 18 is provided. The protective device according to the invention is located inside the housing 5 ,

3 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform des mindestens einen Schutzelements 10, das in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schutzeinrichtung eingesetzt wird. 3 schematically shows the structure of a first embodiment of the at least one protective element 10 which is used in the protective device proposed according to the invention.

Das mindestens eine Schutzelement 10 ist im Wesentlichen streifenförmig aufgebaut und weist einen ersten Fortsatz 19 auf, der zu mindestens einer Elektrode 20 oder einem Elektrodenensemble führt. Des Weiteren ist ein zweiter Fortsatz 17 am mindestens einen Schutzelement 10 ausgebildet, der zu einem Terminal-Anschluss 18 führt. The at least one protective element 10 is essentially strip-shaped and has a first extension 19 up to at least one electrode 20 or an electrode ensemble leads. Furthermore, a second extension 17 on at least one protective element 10 trained, leading to a terminal connection 18 leads.

Am mindestens einen Schutzelement 10 ist ein zweiter Abschnitt 28 ausgebildet, der zwischen einem ersten Abschnitt 26 und einem dritten Abschnitt 30 liegt. Der zweite Abschnitt 28 des mindestens einen Schutzelements 10 weist eine zweite, reduzierte Breite 34 auf. Der erste Abschnitt 26 weist eine erste Breite 32, der dritte Abschnitt 30 eine dritte Breite 36 auf, wobei die Breiten 32, 36 im Wesentlichen einander entsprechen können. Die zweite Breite 34 des zweiten Abschnitts 28 ist geringer als die erste Breite 32 des ersten Abschnitts 26 und die dritte Breite 36 des dritten Abschnitts 30. Die erste Breite 32 des ersten Abschnitts 26 geht kontinuierlich in die zweite Breite 34 des zweiten Abschnitts 28 über. Ferner geht die zweite Breite 34 des zweiten Abschnitts 28 kontinuierlich in die dritte Breite 36 des dritten Abschnitts 30 über. Der zweite Abschnitt 28 bildet zwischen dem ersten Abschnitt 26 und dem dritten Abschnitt 30 eine Querschnittsverjüngung im mindestens einen Schutzelement 10. Der zweite Abschnitt 28 des mindestens einen Schutzelements 10 ist vorzugsweise in vertikaler Richtung im Gehäuse 5 orientiert und steht durch das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode 20 oder des mindestens einen Elektrodenensembles unter Zugbeanspruchung. Bei Auftreten eines Kurzschlusses in der in 3 nicht dargestellten elektrochemischen Zelle 1 tritt im zweiten Abschnitt 28 eine hohe Stromdichte auf, die zu einer Wärmeerzeugung führt. Die Wärmeerzeugung führt zu einem Schmelzen des Schmelzbereichs 22. At least one protective element 10 is a second section 28 formed between a first section 26 and a third section 30 lies. The second section 28 of the at least one protective element 10 has a second, reduced width 34 on. The first paragraph 26 has a first width 32 , the third section 30 a third width 36 on, with the latitudes 32 . 36 can essentially correspond to each other. The second width 34 of the second section 28 is less than the first width 32 of the first section 26 and the third width 36 of the third section 30 , The first width 32 of the first section 26 goes continuously into the second width 34 of the second section 28 above. Further, the second width goes 34 of the second section 28 continuously in the third width 36 of the third section 30 above. The second section 28 forms between the first section 26 and the third section 30 a cross-sectional taper in at least one protective element 10 , The second section 28 of the at least one protective element 10 is preferably in the vertical direction in the housing 5 oriented and stands by the weight of the at least one electrode 20 or the at least one electrode ensemble under tensile stress. If a short circuit occurs in the in 3 not shown electrochemical cell 1 occurs in the second section 28 a high current density, which leads to heat generation. The heat generation leads to a melting of the melting range 22 ,

In 4 ist ein Schutzelement 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schutzeinrichtung dargestellt. In 4 is a protective element 10 illustrated according to another embodiment of the invention proposed protective device.

Das mindestens eine Schutzelement 10 ist mit dem Terminal-Anschluss 18 verbunden. Ferner ist das mindestens eine Schutzelement 10 mit mindestens einer Elektrode 20 oder einem Elektrodenensemble 20 verbunden. Darüber hinaus ist das mindestens eine Schutzelement 10 streifenförmig ausgebildet, und weist über seine gesamte Länge eine im Wesentlichen konstante Dicke 38 auf. Das mindestens eine Schutzelement 10 umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Abschnitt 26, 28, 30. Im zweiten Abschnitt 28 weist das mindestens eine Schutzelement 10 die reduzierte, zweite Breite 34 auf, die jeweils geringer ist als die erste Breite 32 im ersten Abschnitt 26 und die dritte Breite 36 im dritten Abschnitt 30. Der zweite Abschnitt 28, in dem der Schmelzbereich 22 liegt, (vgl. Darstellung gemäß 3), steht durch das Eigengewicht der Elektrode 20 oder des Elektrodenensembles 20 unter Vorspannung. Im zweiten Abschnitt 28 des mindestens einen Schutzelements 10 liegt die Querschnittsverjüngung. Bei einem Kurzschluss in der elektrochemischen Zelle 10 tritt im Schmelzbereich 22 eine erhöhte Stromdichte auf, die zu einer Wärmeerzeugung führt. Die auftretende Wärmeerzeugung im Schmelzbereich 22 führt dazu, dass der Werkstoff des mindestens einen Schutzelements 10 im Schmelzbereich 22 schmilzt. Ferner geht aus 4 hervor, dass im ersten Abschnitt 26 ein Biegebereich 24 des mindestens einen Schutzelements 10 ausgebildet sein kann – hier gestrichelt angedeutet. Der Biegebereich 24 ist als 90°-Bogen ausgebildet. Das mindestens eine Schutzelement 10 kann auch einen Biegebereich 24 im dritten Abschnitt 30 aufweisen, was in 4 ebenfalls gestrichelt angedeutet ist. The at least one protective element 10 is with the terminal connection 18 connected. Furthermore, this is at least one protective element 10 with at least one electrode 20 or an electrode ensemble 20 connected. In addition, this is at least one protective element 10 formed strip-shaped, and has over its entire length a substantially constant thickness 38 on. The at least one protective element 10 includes a first, a second and a third section 26 . 28 . 30 , In the second section 28 has the at least one protective element 10 the reduced, second width 34 each smaller than the first width 32 in the first part 26 and the third width 36 in the third section 30 , The second section 28 in which the melting range 22 lies, (see illustration according to 3 ), stands by the weight of the electrode 20 or the electrode ensemble 20 under tension. In the second section 28 of the at least one protective element 10 lies the cross-sectional taper. In the event of a short circuit in the electrochemical cell 10 occurs in the melting range 22 an increased current density, which leads to a heat generation. The occurring heat generation in the melting range 22 causes the material of the at least one protective element 10 in the melting range 22 melts. Further, go out 4 that in the first section 26 a bending area 24 of the at least one protective element 10 may be formed - indicated here by dashed lines. The bending area 24 is designed as a 90 ° arc. The at least one protective element 10 can also have a bending area 24 in the third section 30 show what's in 4 also indicated by dashed lines.

In 5 ist ein Schutzelement 10 gemäß der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung abgebildet, das in einem ersten und zweiten Abschnitt 26, 28 mit einer Ummantelung aus thermoplastischen Kunststoff versehen ist. In 5 is a protective element 10 according to the proposed protective device, which in a first and second section 26 . 28 provided with a jacket made of thermoplastic material.

Das mindestens eine Schutzelement 10 umfasst den ersten, zweiten und dritten Abschnitt 26, 28, 30, die jeweils die erste, zweite und dritte Breite 32, 34, 36 aufweisen. Der erste, zweite und dritte Abschnitt 26, 28, 30 sind in der Darstellung gemäß 5 vertikal angeordnet. Dabei ist die zweite Breite 34 des zweiten Abschnitts 28 geringer als die erste Breite 32 im ersten Abschnitt 26 und die dritte Breite 36 im dritten Abschnitt 30. Das mindestens eine Schutzelement 10 ist mit dem Terminal-Anschluss 18 einerseits und der Elektrode 20, beziehungsweise einem Elektrodenensemble 20 andererseits elektrisch verbunden. Im zweiten Abschnitt 28 ist der Schmelzbereich 22 ausgebildet, der durch das Eigengewicht der Elektrode 20 unter Zugbeanspruchung steht, und in dem bei einem Kurzschluss der elektrochemischen Zelle 1 eine erhöhte Stromdichte auftritt. Die erhöhte Stromdichte führt zu einer Wärmeerzeugung, die ein Schmelzen des Schmelzbereichs 22 hervorruft. Die Ummantelung 40 aus thermoplastischem Kunststoff umschließt den zweiten und dritten Abschnitt 28, 30 des mindestens einen Schutzelements 10. Bei Erwärmung des Schutzelementes 10 im Schmelzbereich 22 erfolgt ein unmittelbarer Wärmeeintrag in die Ummantelung 40. Bei einem Schmelzen des Schmelzbereichs 22 schmilzt die Ummantelung 40 in der Umgebung des Schmelzbereichs 22 ebenfalls. Der Werkstoff der Ummantelung 40 ist im geschmolzenen Zustand fließfähig. Das in 5 dargestellte Schutzelement 10 befindet sich in einem intakten Zustand. The at least one protective element 10 includes the first, second and third sections 26 . 28 . 30 , each of the first, second and third width 32 . 34 . 36 exhibit. The first, second and third sections 26 . 28 . 30 are in the illustration according to 5 arranged vertically. Here is the second width 34 of the second section 28 less than the first width 32 in the first part 26 and the third width 36 in the third section 30 , The at least one protective element 10 is with the terminal connection 18 on the one hand and the electrode 20 , or an electrode ensemble 20 on the other hand electrically connected. In the second section 28 is the melting range 22 formed by the weight of the electrode 20 is under tensile stress, and in the case of a short circuit of the electrochemical cell 1 an increased current density occurs. The increased current density leads to heat generation, which is a melting of the melting range 22 causes. The jacket 40 made of thermoplastic encloses the second and third sections 28 . 30 of the at least one protective element 10 , When heating the protective element 10 in the melting range 22 there is an immediate heat input into the sheath 40 , When the melting range melts 22 melts the jacket 40 in the vicinity of the melting area 22 also. The material of the casing 40 is fluid in the molten state. This in 5 illustrated protective element 10 is in an intact state.

Aus 6 geht ein Schutzelement 10 der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung in der Draufsicht hervor, das sich im geschmolzenen Zustand befindet.Out 6 goes a protective element 10 the protective device according to the invention in the plan view, which is in the molten state.

An den ersten Abschnitt 26 und den dritten Abschnitt 30 schließen sich jeweils ein erster und zweiter Endbereich 28.1, 28.2 des zweiten Abschnitts 28 an. Der Draufsicht gemäß 6 ist zu entnehmen, dass der dritte Abschnitt 30 in Richtung des Pfeiles 18 mit einem hier nicht dargestellten Terminal-Anschluss 18 verbunden ist, während durch den Pfeil 20 angedeutet ist, dass der erste Abschnitt 26 (vergleiche Darstellung gemäß 4) mit mindestens einer Elektrode 20 oder einem Elektrodenensemble 20 elektrisch verbunden ist. Im in 6 dargestellten geschmolzenen Zustand des Schmelzbereiches 22 entsteht aus dem zuvor intakten zweiten Abschnitt 28 ein erster Endbereich 28 sowie ein zweiter Endbereich 28.2. Aufgrund der durch Bezugszeichen 46 angedeuteten Absenkbewegung in vertikale Richtung nach unten der mindestens einen Elektrode 20 beziehungsweise des mindestens einen Elektrodenensembles 20, entsteht zwischen den einander gegenüberliegenden Enden der Endbereiche 28.1 und 28.2 ein Freiraum 42. Je größer eine lichte Weite 44 zwischen den einander gegenüberliegenden metallischen Enden der Endbereiche 28.1 und 28.2 ist, eine desto sichere elektrische Trennung wird erreicht. Zudem kommt es – wie in 6 angedeutet – bei einer Erwärmung innerhalb des Schmelzbereichs 22 durch die Querschnittsverjüngung entsprechend der zweiten Breite 34 durch Wärmeleitung in die Ummantelung 40 aus thermoplastischem Kunststoff zu deren Aufschmelzen. Sobald der zweite Abschnitt 28 aufgeschmolzen ist und es zur Ausbildung eines Freiraumes 42 zwischen den Endbereichen 28.1 und 28.2 kommt, wird durch Verfließen des thermoplastischen Kunststoffs zumindest der erste Endbereich 28 vollständig von diesem gekapselt und damit elektrisch gegen den zweiten Endbereich 28.2 isoliert. Je größer die lichte Weite 44 innerhalb des Freiraumes 42 zwischen den beiden Endbereichen 28.1 und 28.2 ist, eine desto sichere elektrische Trennung kann erreicht werden. To the first section 26 and the third section 30 close each a first and second end 28.1 . 28.2 of the second section 28 at. The top view according 6 it can be seen that the third section 30 in the direction of the arrow 18 with a terminal connection, not shown here 18 is connected while through the arrow 20 implied that the first section 26 (compare illustration according to 4 ) with at least one electrode 20 or an electrode ensemble 20 electrically connected. Im in 6 illustrated molten state of the melting region 22 arises from the previously intact second section 28 a first end area 28 and a second end area 28.2 , Due to the reference numerals 46 indicated lowering movement in the vertical direction down the at least one electrode 20 or the at least one electrode ensemble 20 , arises between the opposite ends of the end portions 28.1 and 28.2 a free space 42 , The larger a clear width 44 between the opposite metallic ends of the end portions 28.1 and 28.2 is, the more secure electrical isolation is achieved. In addition it comes - as in 6 indicated - at a warming within the melting range 22 by the cross-sectional taper according to the second width 34 by heat conduction into the sheath 40 made of thermoplastic material for their Melting. Once the second section 28 is melted and it is the formation of a free space 42 between the end areas 28.1 and 28.2 comes, is at least the first end region by flowing of the thermoplastic material 28 completely encapsulated by this and thus electrically against the second end region 28.2 isolated. The bigger the clear width 44 within the open space 42 between the two end areas 28.1 and 28.2 is, the more secure electrical isolation can be achieved.

Unmittelbar nachdem der Schmelzbereich 22 und die Ummantelung 40 aus thermoplastischem Kunststoff geschmolzen sind, verfließt der Kunststoffwerkstoff der Ummantelung 40 und überzieht zumindest den ersten Endbereiche 28.1 des zweiten Abschnittes 28 und bildet eine elektrische Isolation.. Durch das Schmelzen des Schmelzbereichs 22 wird der Stromfluss durch das mindestens eine Schutzelement 10 unterbrochen. Hierdurch ist die Wärmeerzeugung im Schmelzbereich 22 unterbunden, so dass eine Abkühlung und damit ein Erstarren der Werkstoffe des mindestens einen Schutzelements 10 und der Ummantelung 40 eintrittImmediately after the melting range 22 and the sheath 40 are melted from thermoplastic material, the plastic material of the sheath flows 40 and covers at least the first end portions 28.1 of the second section 28 and forms an electrical insulation. By melting the melting area 22 the current flow through the at least one protective element 10 interrupted. As a result, the heat generation in the melting area 22 prevented, so that a cooling and thus a solidification of the materials of the at least one protective element 10 and the sheath 40 entry

Der Darstellung gemäß 7 ist eine Seitenansicht der in 6 dargestellten Draufsicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schutzelementes 10 zu entnehmen. The representation according to 7 is a side view of in 6 illustrated plan view of the invention proposed protective element 10 refer to.

Aus 7 geht hervor, dass das beispielsweise streifenförmig ausgebildete Schutzelement 10 im Wesentlichen eine konstante Dicke 38 aufweist. 6 zeigt darüber hinaus, dass die Ummantelung 40 aus thermoplastischem Kunststoff, die sich in dem in 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Außenseite des dritten Abschnitts 30 befindet, durch entsprechenden Wärmeeintrag um den ersten Endbereich 28.1 verfließt und diesen elektrisch vom zweiten Endbereich 28.2 trennt. Je größer die lichte Weite 44 zwischen den einander gegenüberliegenden Endbereichen 28.1 und 28.2 ist, eine desto sicherere elektrische Trennung wird erreicht. Durch Bezugszeichen 46 ist die Absenkbewegung der mindestens einen Elektrode 20 beziehungsweise eines Elektrodenensembles 20 angedeutet. Je größer dessen Gewicht ist, eine desto sichere elektrische Trennung kann durch Ausbildung eines entsprechend vergrößerten Freiraums 52 bei Auftreten eines Kurzschlusses nach Aufschmelzen des Schmelzbereiches 21 zwischen den Endbereichen 28.1 und 28.2 erreicht werden.Out 7 shows that the example strip-shaped protective element 10 essentially a constant thickness 38 having. 6 moreover shows that the sheath 40 made of thermoplastic material, which can be found in the in 6 and 7 illustrated embodiment on the outside of the third section 30 by corresponding heat input around the first end region 28.1 flows and this electrically from the second end 28.2 separates. The bigger the clear width 44 between the opposite end portions 28.1 and 28.2 is, the safer electrical isolation is achieved. By reference 46 is the lowering movement of the at least one electrode 20 or an electrode ensemble 20 indicated. The greater its weight, the safer electrical separation can be achieved by forming a correspondingly enlarged free space 52 upon occurrence of a short circuit after melting of the melting range 21 between the end areas 28.1 and 28.2 be achieved.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Schutzeinrichtung für mindestens eine elektrochemische Zelle (1), umfassend ein Gehäuse (5), in dem mindestens ein Schutzelement (10) angeordnet ist, das einen Terminal-Anschluss (18) und mindestens eine Elektrode (20) oder ein Elektrodenensemble (20) elektrisch verbindet und einen Schmelzbereich (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (10) mehrere Abschnitte (26, 28, 30) umfasst und einen Abschnitt (26, 28, 30), der einen Schmelzbereich (22) umfasst, im Gehäuse (5) in vertikaler Orientierung verläuft. Protective device for at least one electrochemical cell ( 1 ), comprising a housing ( 5 ), in which at least one protective element ( 10 ), which has a terminal connection ( 18 ) and at least one electrode ( 20 ) or an electrode ensemble ( 20 ) electrically connects and a melting area ( 22 ), characterized in that the protective element ( 10 ) several sections ( 26 . 28 . 30 ) and a section ( 26 . 28 . 30 ), which has a melting range ( 22 ), in the housing ( 5 ) in a vertical orientation. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schutzelement (10) eine konstante Dicke (38) aufweist.Protective device according to claim 1, characterized in that the at least one protective element ( 10 ) a constant thickness ( 38 ) having. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzbereich (22) in dem zweiten Abschnitt (28) angeordnet ist und eine zweite Breite (34) aufweist, die geringer ist als eine Breite (32, 36) der benachbarten ersten und dritten Abschnitte (26, 30) des zumindest einen Schutzelements (10).Protective device according to claim 1 or 2, characterized in that the melting region ( 22 ) in the second section ( 28 ) and a second width ( 34 ) which is smaller than a width ( 32 . 36 ) of the adjacent first and third sections ( 26 . 30 ) of the at least one protective element ( 10 ). Schutzeinrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Abschnitte (26, 28, 30) mit einer Ummantelung (40) versehen ist.Protective device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that at least one of the sections ( 26 . 28 . 30 ) with a sheath ( 40 ) is provided. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (40) aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyethlyen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyimid, Polyfluoralkylen oder Polyphenylsulfid, hergestellt ist.Protective device according to claim 4, characterized in that the sheath ( 40 ) made of a thermoplastic material, in particular polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyimide, polyfluoroalkylene or polyphenylsulfide. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (40) als Kunststofffolie, Klebeband oder Kunststoffumspritzung ausgebildet ist.Protective device according to claim 4 or 5, characterized in that the sheath ( 40 ) is designed as a plastic film, tape or Kunststoffumspritzung. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Ummantelung (40) eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist als der Werkstoff des mindestens einen Schutzelements (10).Protective device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the material of the sheath ( 40 ) has a lower melting temperature than the material of the at least one protective element ( 10 ). Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzbereich (22) im geschmolzenen Zustand einen ersten Endbereich (28.1) und einen zweiten Endbereich (28.2) geteilt ist und zwischen den Endbereichen (28.1, 28.2) ein Freiraum (42) entsteht.Protective device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the melting region ( 22 ) in the molten state a first end region ( 28.1 ) and a second end region ( 28.2 ) and between the end regions ( 28.1 . 28.2 ) a free space ( 42 ) arises. Schutzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (42) eine Weite (44) aufweist, die für einen durch die elektrochemische Zelle (1) erzeugten Lichtbogen unüberwindbar ist, und bevorzugt 1 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt 1,4 mm bis 1,5 mm beträgt. Protective device according to claim 8, characterized in that the free space ( 42 ) a width ( 44 ), which, for one through the electrochemical cell ( 1 ) is insurmountable, and preferably 1 mm to 2 mm, more preferably 1.4 mm to 1.5 mm. Schutzeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (40) in einem geschmolzenen Zustand des Schmelzbereichs (22) den mindestens einen Endbereich (28.1, 28.2) elektrisch isolierend einschließt.Protective device according to claim 8 or 9, characterized in that the sheath ( 40 ) in a molten state of the melting range ( 22 ) the at least one end region ( 28.1 . 28.2 ) includes electrically insulating. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (28) vertikal im Gehäuse (5) angeordnet ist und im intakten Zustand des Schutzelementes (10) durch die mindestens eine Elektrode (20) oder das mindestens eine Elektrodenensemble (20) mit einer Zugbeanspruchung beaufschlagt ist.Protective device according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the second section ( 28 ) vertically in the housing ( 5 ) is arranged and in the intact state of the protective element ( 10 ) through the at least one electrode ( 20 ) or the at least one electrode ensemble ( 20 ) is subjected to a tensile stress.
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