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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem auf leitfähigem Material basierenden Gehäuse. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum sicheren Entladen einer Batteriezelle, die ein auf elektrisch leitfähigem Material basierendes Gehäuse aufweist, wobei bei dem Verfahren die Batteriezelle im Fehlerfall über einen vordefinierten Kurzschlussstrompfad entladen wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen und Notstromsystemen, im Consumer-Bereich, wie beispielsweise bei Mobiltelefonen, Smartphones, MP3-Playern, Elektrowerkzeugen, und so weiter, als auch im Automotive-Bereich, wie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen, Plug-In-Hybridfahrzeugen, oder Mikrohybridfahrzeugen, vermehrt wiederaufladbare Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit gestellt werden. Ferner werden durch diese Anwendungen auch hohe Anforderungen an die Sicherheit gestellt.
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Ein Grund dafür ist unter anderem, dass ein Ausfall der Spannungsversorgung durch das wiederaufladbare Batteriesystem zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. Dies ist insbesondere im Automotive-Bereich und bei Fahrzeugen ein sehr kritischer Aspekt. Ferner ist zu vermeiden, dass aufgrund eines Fehlers im Batteriesystem eine Gefahr für den Benutzer entsteht.
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Als wiederaufladbare Hochleistungsbatterien im Automotive-Bereich und in den anderen Bereichen werden häufig Lithium-Ionen-Batteriesysteme eingesetzt, bei denen je nach Anwendung eine Vielzahl von Batteriezellen, die modulweise in Serie und/oder parallel miteinander verschaltet werden, eine Lithium-Ionen-Batterie bilden. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen jeweils eine oder mehrere Elektroden, die beim Laden und Entladen Lithium-Ionen einlagern und wieder auslagern. Man spricht hier von der sogenannten Interkalation beziehungsweise Deinterkalation. Damit die Interkalation oder Deinterkalation stattfindet, ist die Anwesenheit von Lithium-Ionen-Leitsalz oder eines anderen geeigneten Elektrolyten notwendig. Aktuell wird bei praktisch allen Lithium-Ionen-Batteriezellen als Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat LiPF6 verwendet. Bekanntlich ist LiPF6 gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, sodass aufgrund der Zellchemie in den Lithium-Ionen-Batteriezellen potenziell eine Gefahr einer stufenweisen Hydrolyse bis hin zu Fluorwasserstoff HF vorliegt.
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Ein kritischer Punkt der Lithium-Ionen-Technologie ist ferner das Überladeverhalten der Lithium-Ionen-Batteriezelle beziehungsweise der assemblierten Lithium-Ionen-Batterie. Beispielsweise kann es bei einem Überladen der Lithium-Ionen-Batteriezellen über deren maximal zulässige Spannung hinaus zur Schädigung der Batteriezelle bis hin zu einem thermischen Durchgehen („Thermal Runaway“) kommen. Eine Beschreibung der Problematik eines Thermal Runaways bei Lithium-Ionen-Batteriezellen findet sich beispielsweise in einem Artikel von R. Kern, R. Bindel, und R. Uhlenbrock in der Zeitschrift ATZelektronik, Ausgabe 05/2009, Jahrgang 4, S. 22–29.
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Aus Sicherheitsgründen werden für Lithium-Ionen-Batteriezellen typischerweise Gehäuse mit einem metallischen Anteil verwendet. Dabei fungiert die Metallfolie beziehungsweise das Metallblech unter anderem auch als eine Sperre gegen die Luftfeuchte. Ein Stand der Technik ist ein Batteriegehäuse, welches aus tiefgezogenem Aluminium-Blech bestehen und ein sogenanntes Hardcase-Gehäuse bilden kann. Solche Gehäuse weisen typischerweise Wandstärken von mehr als 0,2 mm auf.
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Einige herkömmliche Batteriezellen verfügen neben der üblicherweise vorhandenen Berstscheibe, die im Falle eines sich in der Zelle aufbauenden Überdruckes öffnet, über eine zusätzliche Überladesicherung, das sogenannte „Overcharge Safety Device“ (OSD). Dieses weist eine Membran auf, die sich bei entstehendem Überdruck bereits vor einem Öffnen der Berstscheibe nach außen wölbt. Der Überdruck kann beispielsweise aufgrund eines Überladevorgangs durch ein defektes Ladegerät verursacht werden. Durch die nach außen gewölbte Membran des Overcharge Safety Device wird ein Kontakt in der Regel zum Minus-Terminal des betreffenden galvanischen Elementes, der Lithium-Ionen-Batteriezelle, herstellt. Durch den hierbei entstehenden Kurzschluss wird eine klassische, einfach auslösende Sicherung im Inneren der Batteriezelle ausgelöst, die das Elektrodenensemble von den Polen des galvanischen Elements trennt. Der Kurzschluss beziehungsweise der damit verbundene Spannungsabfall wird vom Batteriemanagementsystem (BMS) erkannt, und das Ladegerät wird entsprechend angesteuert oder kurzgeschlossen, sodass der Überladevorgang gestoppt wird.
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Jedoch bietet die einfach auslösende Sicherung keine Möglichkeit der Rückstellung, was problematisch ist, da die überladene Lithium-Ionen-Batteriezelle sich je nach Einstellung des Overcharge Safety Devices zum Zeitpunkt von dessen Auslösung bereits in einem kritischen und undefinierten Zustand befindet. Ein solcher undefinierter Zustand kann insbesondere hinsichtlich einer Entsorgung, Transport und/oder Demontage der betroffenen Batteriezelle oder auch Batterie zu Problemen führen. Eine oftmals notwendige komplette Entladung oder Unschädlichmachung der inneren Zellkomponenten ist zudem häufig nicht ohne ein Öffnen des Gehäuses der Batteriezelle möglich, ein Umstand, der für die durchführenden Personen äußerst gefährlich sein kann.
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Weiterhin sind selbstrückstellende Sicherungen bekannt. Dies sind Kaltleiter (PTC „Positive Temperature Coefficient“-Leiter) beispielsweise auf Polymerbasis.
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Aus der
EP1414086 B1 ist eine Batteriezelle zur Verwendung im Consumer-Bereich bekannt, bei der eine selbstrückstellende Sicherung im normalen Stromlaufpfad der Batteriezelle angeordnet ist.
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Bei Batteriesystemen mit höheren Spannungen und Strömen jedoch, wie es bei Traktionsbatterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen der Fall ist, ist eine solche Lösung wie die, welche in
EP1414086 B1 genannt wird, nicht möglich. Dies gilt erst recht bei einem Dauereinsatz.
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Ein weiteres Problem speziell bei flüssig gekühlten Lithium-Ionen-Batterien ist die elektrische Isolation zur normalerweise metallischen Kühlplatte. Denn bei vielen Lithium-Ionen-Batteriezellen ist das Gehäuse direkt mit einer der beiden Elektroden verbunden. Bei Isolationsfehlern wird somit ein Teil der Spannung am Gehäuse anliegen, wobei es bei zwei oder mehreren Isolationsfehlern auch zu einem Kurzschluss kommt.
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Aus der
DE 10 2011 022 659 A1 ist eine Batteriezelle mit einem Mittel zur Ausbildung eines Kurzschlusses bekannt, wobei die dortige Batteriezelle über ein hochohmiges Trennelement an dem dortigen Overcharge Safety Device entladen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche ein auf leitfähigem Material basierendes Gehäuse aufweist. Ein erstes Terminal der Batteriezelle ist mit einer selbstrückstellenden Sicherung ausgestattet, über die im Normalbetrieb der Batteriezelle das erste Terminal mit dem Gehäuse niederohmig verbunden ist.
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Ferner wird ein Verfahren zum sicheren Entladen einer Batteriezelle beschrieben, wobei die Batteriezelle ein auf elektrisch leitfähigem Material basierendes Gehäuse aufweist. Verfahrensgemäß wird die Batteriezelle im Fehlerfall über einen vordefinierten Kurzschlussstrompfad entladen. Dabei wird zur Regulierung eines Stromflusses in dem Kurzschlussstrompfad eine selbstrückstellende Sicherung verwendet, die im Normalbetrieb der Batteriezelle das Gehäuse mit einem der Terminals der Batteriezelle niederohmig verbindet.
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Die Erfindung stellt eine sowohl einfache und als auch kostengünstig zu realisierende Sicherheitsfunktion für Batteriezellen und Batteriesysteme bereit, mit denen insbesondere einem fehlerhaften elektrischen Kurzschluss oder einem Isolationsfehler der Batteriezellen zuverlässig entgegengetreten werden kann. Dabei zeigt die Erfindung eine Lösung auf, die auf funktionale Weise implementierbar ist. So wird bei einer Batteriezelle, bei der ein Terminal, beispielsweise der Pluspol der Zelle, sich mit dem Gehäuse der Batteriezelle auf demselben elektrischen Potenzial befindet, beziehungsweise bei der das betreffende Terminal im Betrieb der Batteriezelle dauerhaft mit dem Gehäuse elektrisch verbunden ist, die betreffende elektrische Verbindung über die erfindungsgemäße selbstrückstellende Sicherung verwirklicht. Dadurch ergibt sich unter anderem der Vorteil, dass auf eine sehr komfortable Weise, nämlich ohne dass große Änderungen im Zell-Design und der Zell-Chemie nötig sind, bei der Batteriezelle ein Kurzschlussstrom regulierbar ist. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass erfindungsgemäß die selbstrückstellende Sicherung bereits im Normalbetrieb zwischen Terminal und Gehäuse geschaltet ist, wodurch ohne hohen Schaltungsaufwand, anschaulich gesagt, per Voreinstellung eine erhöhte Sicherheit geboten wird, bei der alle unzulässigen Ströme, sei es durch interne oder externe Kurzschlüsse oder Isolationsfehler verursachte Ströme, über das Terminal fließen und dabei quasi automatisch reguliert werden. Damit kann insbesondere eine geregelte Entladung der Batteriezelle im Gefahrenfall erfolgen, sodass die Batteriezelle unschädlich gemacht wird. Im Unterschied dazu muss im Stand der Technik eine Sicherung oft erst durch zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise durch Auslösung durch ein Overcharge Safety Device, zugeschaltet werden.
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So ist die erfindungsgemäße Batteriezelle bevorzugt derart eingerichtet, dass bei einem Kurzschluss zwischen dem ersten Terminal und dem Gehäuse in dem entsprechenden Kurzschlussstrompfad eine Regulierung des Stromflusses über die selbstrückstellende Sicherung erfolgen kann. Dabei wird es besonders bevorzugt, dass die selbstrückstellende Sicherung die ausschließliche (ohmsche) Verbindung zwischen dem ersten Terminal und dem Gehäuse ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse aus Aluminium gebildet. Mit Hinblick auf die Elektrochemie wird dabei das Terminal mit positiver Polarität als das erste Terminal, das heißt das mit der selbstrückstellenden Sicherung ausgestattete erste Terminal, gewählt.
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Die Erfindung ist aber nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt. So kann das Gehäuse alternativ beispielsweise auch aus Edelstahl gebildet sein, wobei das erste Terminal eine negative Polarität aufweist.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die selbstrückstellende Sicherung ein Kaltleiter, der auf Polymerbasis gebildet ist. Dadurch kann ein günstiger nichtlinearer temperaturabhängiger Widerstandsverlauf der selbstrückstellenden Sicherung eingestellt werden. Bei der Erfindung ist ein Kaltleiter auf Polymerbasis auch deswegen gut einsetzbar, weil der Strompfad, welcher über die selbstrückstellende Sicherung verläuft, nur im Auslösefall, genauer gesagt, wenn ein vom normalen Betriebszustand abweichender Fehlerzustand vorliegt, verwendet wird. Wie oben bereits erwähnt, ist die selbstrückstellende Sicherung von Haus aus immer mit dem ersten Terminal verbunden, wobei mit einem Kaltleiter auf Polymerbasis eine frühe Auslösung der selbstrückstellenden Sicherung erreicht werden kann. Ein solches frühes Auslöseverhalten wird die Sicherheit des Batteriesystems weiterhin erhöhen und dazu beitragen, mögliche Beschädigungen und Gefahren zu minimieren. Die Erfindung ist aber nicht auf Kaltleiter auf Polymerbasis beschränkt. Vielmehr können auch andere Materialien gewählt werden, die einen geeigneten, bevorzugt nichtlinearen, Widerstandsverlauf garantieren.
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Bevorzugt werden bei der Erfindung solche Batteriezellen verwendet, die mit einer Gehäuseisolierung ausgestattet sind. Die Isolierung kann durch eine Lackierung, eine Folie, einen Schrumpfschlauch oder auch auf andere Art und Weise erfolgen. Dadurch können die Batteriezellen im Normalbetrieb direkt einander angrenzend platziert werden, wobei gleichzeitig die Gehäuse zueinander unterschiedliche elektrische Potenziale annehmen können, was beispielsweise bei einer Reihenschaltung über die Terminals der Batteriezellen der Fall ist.
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Erfindungsgemäß kann dabei die selbstrückstellende Sicherung dazu vorgesehen sein, dass bei einem Kurzschluss zwischen den Gehäusen benachbarter Batteriezellen, etwa bei einer Beschädigung der Gehäuseisolierungen, in dem entsprechenden Kurzschlussstrompfad eine Regulierung des Stromflusses über die selbstrückstellende Sicherung erfolgt. Es wird daher im Fehlerfall nur für kurze Zeit der hohe Kurzschlussstrom von Zelle zu Zelle fließen, woraufhin die selbstrückstellende Sicherung anspricht und dadurch der Strom auf ein hinreichend geringes Maß reduziert wird.
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Ferner kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Batteriezelle auch derart eingerichtet sein, dass bei einem Kurzschluss zwischen dem erfindungsgemäßen ersten Terminal und einem zweiten Terminal der Batteriezelle, also bei einem Kurzschluss zwischen den beiden Polen der Batteriezelle, eine Regulierung des Stromflusses über die selbstrückstellende Sicherung erfolgt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Batteriezelle ferner ein Mittel zur Ausbildung eines elektrischen Kurzschlusses auf, mittels dem das zweite Terminal über die selbstrückstellende Sicherung mit dem ersten Terminal kurzgeschlossen werden kann.
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Dadurch kann die Erfindung vorteilhaft besonders zuverlässig für solche Szenarien verwendet werden, bei denen zwar noch kein Kurzschluss erfolgt ist, da beispielsweise die Isolierung noch intakt ist, gleichwohl sich aber bereits eine von der Batteriezelle ausgehende potenzielle Gefahr anbahnt oder zumindest eine unnormale oder kritische Situation der Batteriezelle vorliegt. So kann bei dieser Ausführungsform die erfindungsgemäß platzierte selbstrückstellende Sicherung sehr gut mit einem Overcharge Safety Device oder einer anderen zweckmäßigen Einrichtung kombiniert werden, mit der ein Kurzschluss herbeigeführt werden kann, der daraufhin durch die selbstrückstellende Sicherung wieder reguliert wird. Beispielsweise kann das zweite Terminal der Batteriezelle, also das nicht mit der selbstrückstellenden Sicherung ausgestattete Terminal, durch das erfindungsgemäße Mittel zur Ausbildung eines elektrischen Kurzschlusses dann mit dem Gehäuse oder mit dem ersten Terminal in dem Moment verbunden werden, wenn ein Überdruck oder ein Überladen der Batteriezelle registriert wird. Dadurch wird ein sicheres Entladen der Batteriezelle sichergestellt, wobei das Entladen dank der selbstrückstellenden Sicherung hinreichend langsam erfolgt.
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Gemäß noch einer anderen Weiterbildung ist auch ein gezieltes Ansteuern des Mittels zur Ausbildung eines Kurzschlusses durch eine externe Steuerung, wie beispielsweise einem Batteriemanagementsystem, möglich.
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Auf diese Weise kann dank der Erfindung eine umfassende und erhöhte Sicherheit der Batteriezellen bereitgestellt werden, was insbesondere in den letztgenannten Ausführungsformen durch die vorteilhafte Kombination der selbstrückstellenden Sicherung am ersten Terminal einerseits und andererseits des Mittels zur Ausbildung eines Kurzschlusses an einer anderen Komponente, bevorzugt am Gehäuse oder am zweiten Terminal, weiterhin optimiert wird.
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Es wird ferner in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung bevorzugt, dass das erste Terminal über die selbstrückstellende Sicherung oder über ein die selbstrückstellende Sicherung aufweisendes Bauteil mechanisch an dem Gehäuse befestigt ist. Dadurch geht die bauliche und elektrische Stabilität der Batteriezelle Hand in Hand, und es ist auf eine sehr sichere Art und Weise möglich, die selbstrückstellende Sicherung gut definiert und funktional zuverlässig in die Batteriezelle einzubinden.
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Die beanspruchte Batteriezelle ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Ferner wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches eine erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst, wobei die Batteriezelle mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Batteriezelle, bei der ein erstes Terminal mit einer selbstrückstellenden Sicherung versehen ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Batteriezelle, bei der ein erstes Terminal mit einer selbstrückstellenden Sicherung versehen ist, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
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3 eine Ausschnittdarstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem besonderen mechanischen Aufbau des ersten Terminals mit der selbstrückstellenden Sicherung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 wird eine Batteriezelle 10 nach einer ersten Ausführungsform gezeigt, bei der ein erstes Terminal 11 mit einer selbstrückstellenden Sicherung 13 versehen ist. Die selbstrückstellende Sicherung 13 ist dauerhaft mit dem ersten Terminal 11 und mit dem Gehäuse 21 der Batteriezelle 10 verbunden. Dies wird in der Zeichnung durch den Knoten 17, der die selbstrückstellende Sicherung 13 an das Gehäuse 21 ankoppelt, und dem Knoten 16, der die selbstrückstellende Sicherung 13 mit dem ersten Terminal 11 verbindet, angedeutet.
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Die selbstrückstellende Sicherung 13 nach der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist ein Kaltleiter auf Polymerbasis. Das Gehäuse 21 umfasst hier ein Hardcase-Gehäuse aus tiefgezogenem Aluminiumblech und ist mit einer Isolierung 24 umgeben, durch die die Batteriezelle 10 vor externen elektrischen Kurzschlüssen geschützt werden soll. Der Gehäusedeckel als Teil des Gehäuses 21 ist hier nicht explizit als separates Teil gezeigt, wobei dass das Gehäuse 21 einteilig dargestellt ist. Das erste Terminal 11 und das zweite Terminal 12 sitzen auf dem Gehäuse 21, wobei die Isolierung 24 jeweils zwischen den Terminals 11, 12 und dem Gehäuse angeordnet ist. Durch die leitende elektrische Verbindung jedoch, die über die selbstrückstellende Sicherung 13 zwischen dem Gehäuse 21 und dem ersten Terminal 11 besteht, nimmt das Gehäuse 21 das elektrische Potenzial des ersten Terminals 11 an. Die leitende Verbindung zwischen dem ersten Terminal 11 und dem Gehäuse 21 ist insbesondere im Normalbetrieb der Batteriezelle 10, in dem der elektrische Strom lediglich über die Terminals 11, 12, aber nicht über die selbstrückstellende Sicherung 13 fließt, vorhanden. Dahingegen ist das zweite Terminal 12 durch die Isolierung 24 von dem Gehäuse 21 elektrisch getrennt. Denn der Schalter 14 ist im Normalbetrieb offen. Somit liegen das erste Terminal 11 und das Gehäuse 21 auf Pluspotenzial, und das zweite Terminal 12 liegt auf Minuspotenzial.
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Wie in der 1 weiterhin gezeigt ist, hat die Batteriezelle 10 eine Elektrodenkonfiguration mit einer Pluselektrode 22, die mit dem ersten Terminal 11 gekoppelt ist, und einer Minuselektrode 19, die mit dem zweiten Terminal 12 gekoppelt ist. Der Einfachheit halber ist der innere Aufbau der Batteriezelle 10, beispielsweise das Elektrolyt, der Separator und so weiter, hier nicht explizit im Detail dargestellt.
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Durch die erfindungsgemäße selbstrückstellende Sicherung 13 wird eine Vielzahl von möglichen Kurzschlüssen innerhalb und außerhalb der Batteriezelle 10 abgesichert, sodass bei einem Kurzschluss kein Schaden an der Batteriezelle 10 angerichtet werden kann. Auch ist die Batteriezelle 10 gegen Beschädigung der Isolierung 24 abgesichert.
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Wenn beispielsweise durch eine Verformung der Batteriezelle 10 die Elektrode 19 im Innern 25 der Batteriezelle 10 fehlerhaft mit dem Gehäuse 21 kontaktiert, sodass ein Stromfluss über einen Kurzschlusspfad entsteht, so wird dieser Stromfluss daraufhin durch die selbstrückstellende Sicherung 13 reguliert. Dies gilt auch für einen Kurzschluss zwischen dem zweiten Terminal 12 und dem Gehäuse 21.
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In der 1 ist die selbstrückstellende Sicherung 13 lediglich in Form eines Schaltungsblocks skizziert. Die in der Praxis gewählte äußere Form und die Platzierung an dem ersten Terminal 11 sind variabel und werden im Einzelfall basierend auf anwendungsspezifischen und bauformbedingten Gesichtspunkten gewählt. So wird in vielen oder den meisten Fällen die selbstrückstellende Sicherung 13 nicht über Drähte mit dem ersten Terminal 11 und/oder dem Gehäuse 21 verbunden, sondern kann stattdessen mit zumindest einer dieser Komponenten direkt kontaktieren.
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Wie in 1 ferner gezeigt wird, kann die Batteriezelle 10 außerdem noch ein Mittel zur Ausbildung eines elektrischen Kurzschlusses aufweisen. In der folgenden Beschreibung wird deren Funktion verdeutlicht, obgleich in der Zeichnung das betreffende Mittel 23 mehr oder weniger lediglich nur abstrakt skizziert wird, ohne sich dabei auf eine bestimmte äußere Form festzulegen. Jedenfalls weist das Mittel 23 ein Detektionsteil 18 auf, mit dem ein unnormaler Zustand der Batteriezelle 10 festgestellt werden kann. Dieser unnormale beziehungsweise unsachgemäße Zustand der Batteriezelle 10 kann beispielsweise ein Überdruck im Innern 25 der Batteriezelle 10 sein. Somit kann das Detektionsteil 18 beispielsweise eine Membran oder ein anderes geeignetes Mittel zur Feststellung eines Überdrucks sein. Das Mittel zur Ausbildung eines Kurzschlusses weist ferner ein Schalterteil 14 auf, mit dem der eigentliche Kurzschluss herbeigeführt werden kann. Und zwar kann dies durch eine Ansteuerung des Schalterteils 14 aufgrund einer Ausgabe durch das Detektionsteil 18 geschehen, wie in der Zeichnung durch den Pfeil 15 angedeutet wird. Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung jedoch sind das Detektionsteil 18 und das Schalterteil 14 durch ein und dieselbe Vorrichtung verwirklicht.
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Aufgrund dieser Funktionen kann durch das Mittel 23 eine „künstliche“ Herbeiführung eines Kurzschlusses geschehen, woraufhin die erfindungsgemäße selbstrückstellende Sicherung beginnt, den Stromfluss des Kurzschlusses zu regulieren. Dies ist aus der 1 und der dort skizzierten Schaltung zu entnehmen, gemäß der bei geschlossenem Schalterteil 14 ein Kurzschluss zwischen dem ersten Terminal 11 und dem zweiten Terminal 12 über die selbstrückstellende Sicherung 13 herbeigeführt wird.
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Somit wird durch das Mittel 23 zur Herbeiführung eines Kurzschlusses die Erfindung vorteilhaft erweitert, sodass nicht nur „originäre“ Kurzschlüsse und Isolationsfehler durch die selbstrückstellende Sicherung 13 abgefangen werden. Vielmehr können auch noch andere Fehler, wie beispielsweise ein Überdruck oder eine Überladung der Batteriezelle, erfindungsgemäß behoben werden, indem nämlich bei Leitung eines Kurzschlussstromes über die selbstrückstellende Sicherung 13 eine Regulierung desselben erfolgt, woraufhin die Batteriezelle 10 langsam aber sicher entladen wird, sodass kein Schaden, etwa durch eine fehlerhafte Elektrochemie, mehr entstehen kann. Das Mittel 23 zur Ausbildung eines Kurzschlusses kann ein Overcharge Safety Device umfassen.
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Wie oben bereits erwähnt, kann die selbstrückstellende Sicherung 13 nicht nur für interne Fehler der Batteriezelle 10, sondern vielmehr auch zur Vermeidung von Gefahrensituationen bei einem externen Fehler angeordnet sein. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn zwei Batteriezellen 10 einander benachbart sind und es durch beschädigte Isolierungen 24 zu einem Kurzschluss zwischen den benachbarten Batteriezellen 10 kommt. Oder wenn eine Kühlplatte oder ein anderes Bauteil ungewollt mit dem Gehäuse 21 kontaktiert.
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In der 2 wird eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Batteriezelle 20, bei der ein erstes Terminal 11 mit einer selbstrückstellenden Sicherung 13 versehen ist, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform wird hier die selbstrückstellende Sicherung 13 direkt an dem ersten Terminal 11 anliegend angeordnet. Ferner liegt die selbstrückstellende Sicherung 13 auch direkt am Gehäuse 21.
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In der 3 wird eine Ausschnittdarstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 30 mit einem besonderen Aufbau des ersten Terminals 33 sowie der selbstrückstellenden Sicherung 13 gezeigt. Gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel umfasst das erste Terminal 33 ein Niet 35 und eine Platte 34. Dabei wird die leitende Terminalplatte 34 mit dem Niet 35 an dem Gehäuse 21 beziehungsweise dem Gehäusedeckel 36 gehalten. Zwischen dem Gehäuse 21 einerseits und dem Niet 35 und der Platte 34 andererseits ist die selbstrückstellende Sicherung 13 angeordnet.
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Somit wird gemäß der dritten Ausführungsform die selbstrückstellende Sicherung 13 in Form eines zur Befestigung beziehungsweise zum Halten des ersten Terminals 33 geeigneten mechanischen Bauteils ausgeführt. Die Formen des ersten Terminals 33 und der selbstrückstellenden Sicherung 13 sind einander angepasst.
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Ferner ist in 3 noch die Dichtung 32 dargestellt, welche zum einen das Terminal 33 gegen das Gehäuse 21 isoliert, abgesehen von der leitenden Verbindung durch die selbstrückstellende Sicherung 13, und zum anderen die Batteriezelle 30 am ersten Terminal 33 hermetisch abdichtet. Im Innern 25 der Batteriezelle 30 wird das erste Terminal 33 ferner durch einen Kunststoffhalter 31 gehalten, an dem auch die entsprechende Elektrode entlanggeführt wird.
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Anschaulich gesagt werden erfindungsgemäß das Zellterminal (Plus oder Minus, je nach Gehäusematerial) und das Gehäuse 21 ausschließlich durch ein Kaltleiterelement miteinander verbunden. Bei einem unerwünschten Stromfluss über dieses Gehäuse 21 erwärmt sich das Kaltleiterelement und unterbricht den Stromfluss beziehungsweise reduziert diesen deutlich. Somit wird durch Einbringen eines Kaltleiterelements in den Kurzschlussstrompfad die Batteriezelle 10, 20, 30 gezielt entladen, wenn man beispielsweise durch Auslösen des Overcharge Safety Devices, durch einen externen Kurzschluss, beispielsweise im Fahrzeug oder am Stecker, oder durch einen Isolationsfehler einen Kurzschluss erzeugt. Da der (Kurzschluss-)Strompfad nur im Auslösefall verwendet wird, lässt sich hier ein Kaltleiter auf Polymerbasis einsetzen, wobei die dadurch bedingte frühe Auslösung sogar erwünscht ist. Zudem wird bei einem Isolationsfehler des Zellgehäuses ebenfalls durch dieses Element der Stromfluss reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1414086 B1 [0010, 0011]
- DE 102011022659 A1 [0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- R. Kern, R. Bindel, und R. Uhlenbrock in der Zeitschrift ATZelektronik, Ausgabe 05/2009, Jahrgang 4, S. 22–29 [0005]
