DE102016222142A1 - Battery cell, battery module and device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1), mit einer elektrochemischen Einheit zur Erzeugung elektrischer Energie, zwei Polen (10, 20) zum Bereitstellen und Abgreifen der elektrischen Energie, einer Ableitung (30), welche mit einem zugeordneten Pol (10) zum externen Ableiten der abgegriffenen elektrischen Energie schaltbar elektrisch verbindbar ist, und einer Schalteinrichtung (40), welche ausgebildet ist, schaltbar eine unmittelbare oder mittelbare galvanische Verbindung und/oder Trennung zwischen der Ableitung (30) dem zugeordneten Pol (10) - insbesondere in reversibler Form - zu bewirken.The invention relates to a battery cell (1) having an electrochemical unit for generating electrical energy, two poles (10, 20) for providing and tapping the electrical energy, a lead (30) connected to an associated pole (10) for external discharge the tapped electrical energy is switchable electrically connectable, and a switching device (40) which is formed, switchable, a direct or indirect galvanic connection and / or separation between the derivative (30) the associated pole (10) - in particular in reversible form - to cause.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, ein Batteriemodul sowie eine Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Fahrzeug.The present invention relates to a battery cell, a battery module and a device. The present invention particularly relates to a vehicle.
Viele Vorrichtungen und insbesondere Fahrzeuge werden vermehrt mit elektrisch antreibbaren Aggregaten versehen, wobei die Aggregate über Batteriezellen oder über mit einer Mehrzahl Batteriezellen ausgestatteter Batteriemodule mit elektrischer Energie versorgt werden.Many devices and in particular vehicles are increasingly provided with electrically driven units, the units are powered by battery cells or equipped with a plurality of battery cells battery modules with electrical energy.
Problematisch bei herkömmlichen Batteriezellen und daraus aufgebauten Modulen ist die bestehende permanente und direkte Kontaktierung innerhalb der einzelnen Zellen zwischen Polen der zu Grunde liegenden Zellen und den Ableitungen oder Ableitern nach außen. Ferner ist keine gesteuerte Abschaltung einzelner Zellen in einer Anordnung mehrerer Batteriezellen in einem Modul möglich.The problem with conventional battery cells and modules constructed therefrom is the existing permanent and direct contact within the individual cells between poles of the underlying cells and the leads or arresters to the outside. Furthermore, no controlled shutdown of individual cells in an arrangement of multiple battery cells in a module is possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Batteriezelle, ein Batteriemodul und eine Vorrichtung zu schaffen, bei welchen im Betrieb mit besonders einfachen Mitteln bei gesteigerter Sicherheit eine höhere Flexibilität möglich ist.The invention is based on the object to provide a battery cell, a battery module and a device in which a higher flexibility is possible in operation with particularly simple means with increased security.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einer Batteriezelle erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem Batteriemodul erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 sowie bei einer Vorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object underlying the invention is achieved in a battery cell according to the invention with the features of
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batteriezelle geschaffen. Diese ist ausgebildet mit einer elektrochemischen Einheit zur Erzeugung elektrischer Energie, zwei Polen zum Bereitstellen und Abgreifen der elektrischen Energie, einer Ableitung, welche mit einem zugeordneten Pol zum externen Ableiten der abgegriffenen elektrischen Energie schaltbar elektrisch verbindbar ist, und einer Schalteinrichtung, welche ausgebildet ist, schaltbar eine unmittelbare oder mittelbare galvanische Verbindung und/oder Trennung zwischen der Ableitung und dem zugeordneten Pol - insbesondere in reversibler Form - zu bewirken.According to a first aspect of the present invention, a battery cell is provided. This is formed with an electrochemical unit for generating electrical energy, two poles for providing and tapping the electrical energy, a derivative, which is electrically connectable with an associated pole for the external discharge of the tapped electrical energy, and a switching device which is formed, switchable to effect a direct or indirect galvanic connection and / or separation between the derivative and the associated pole - in particular in reversible form.
Dadurch, dass erfindungsgemäß in der Batteriezelle eine Schalteinrichtung ausgebildet wird, kann mit einfachen Mitteln in zuverlässiger Art und Weise eine unmittelbare oder mittelbare galvanische Verbindung bzw. Trennung mit einer Ableitung und dem jeweils zugeordneten Pol hergestellt werden. Mit diesen Mitteln ist also in gesteuerter Art und Weise das Zustandekommen einer elektrischen Energieversorgung innerhalb der Batteriezelle bewerkstelligbar oder alternativ unterbindbar. Dies kann in reversibler Art und Weise erfolgen, so dass mit geeigneten Mitteln auf äußere Betriebsumstände zurückgegriffen werden kann. Damit können zum Beispiel in einem Notfall Schnellabschaltungen der Energieversorgung ermöglicht werden. Dadurch werden Sicherheit und die Flexibilität in den Anwendungen gesteigert.Characterized in that according to the invention in the battery cell, a switching device is formed, can be made with simple means in a reliable manner a direct or indirect galvanic connection or separation with a derivative and the respectively associated pole. With these means, therefore, the conclusion of an electrical energy supply within the battery cell can be accomplished or alternatively prevented in a controlled manner. This can be done in a reversible manner, so that can be used with appropriate means to external operating conditions. Thus, for example, in an emergency quick shutdowns of the power supply can be enabled. This increases security and flexibility in the applications.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist die Schalteinrichtung ausgebildet, die galvanische Verbindung und/oder Trennung zwischen der Ableitung und dem zugeordneten Pol durch eine unmittelbare oder mittelbare mechanische Verbindung bzw. Trennung zwischen der Ableitung und dem zugeordneten Pol zu bewirken. Mit diesen Maßnahmen lässt sich die galvanische Verbindung oder Trennung mit besonders einfachen Mitteln realisieren, nämlich über das Zustandekommen oder Unterbinden einer mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Verbindung zwischen einer Ableitung und einem jeweils zugeordneten Pol.In an advantageous embodiment of the battery cell according to the invention, the switching device is designed to effect the galvanic connection and / or separation between the derivative and the associated pole by a direct or indirect mechanical connection or separation between the derivative and the associated pole. With these measures, the galvanic connection or separation can be realized with particularly simple means, namely on the occurrence or prevention of an indirect or direct mechanical connection between a derivative and a respective associated pole.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Batteriezelle wird das Herstellen oder Unterbinden einer Verbindung zwischen Ableitung und zugeordnetem Pol besonders einfach dadurch realisierbar, dass die Schalteinrichtung mit einem ersten Kontaktelement in unmittelbarer oder mittelbarer mechanischer und/oder galvanischer Verbindung mit dem zugeordneten Pol und/oder mit einem zweiten Kontaktelement in unmittelbarer oder mittelbarer mechanischer und/oder galvanischer Verbindung mit der Ableitung ausgebildet ist.In another advantageous development of the battery cell according to the invention, the production or inhibiting a connection between the derivative and associated pole is particularly easy to implement that the switching device with a first contact element in direct or indirect mechanical and / or galvanic connection with the associated pole and / or with a second contact element is formed in direct or indirect mechanical and / or galvanic connection with the discharge.
Bei einer anderen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle weist die Schalteinrichtung einen Schaltmechanismus auf, welcher mit dem ersten Kontaktelement und/oder mit dem zweiten Kontaktelement derart mechanisch gekoppelt ist, um eine mechanische Verschiebung des ersten Kontaktelements und/oder des zweiten Kontaktelements relativ zum jeweils anderen Kontaktelement zu bewirken, insbesondre zwischen einem ersten Zustand mit unmittelbarer oder mittelbarer mechanischer und/oder galvanischer Verbindung der Kontaktelemente und einem zweiten Zustand mit mechanischer und galvanischer Trennung der Kontaktelemente.In another embodiment of the battery cell according to the invention, the switching device has a switching mechanism which is so mechanically coupled to the first contact element and / or with the second contact element to a mechanical displacement of the first contact element and / or the second contact element relative to the respective other contact element cause, in particular between a first state with direct or indirect mechanical and / or galvanic connection of the contact elements and a second state with mechanical and galvanic separation of the contact elements.
Besonders einfache und gleichwohl zuverlässige Strukturen lassen sich realisieren, wenn der Schaltmechanismus ein elektroaktives Material, insbesondere eine elektroaktives Polymer ist oder aufweist, dessen räumliche Ausdehnung durch Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder durch Stromfluss steuerbar variierbar ist.Particularly simple and nevertheless reliable structures can be realized if the switching mechanism is or has an electroactive material, in particular an electroactive polymer, whose spatial extent can be variably varied by applying an electrical voltage and / or by current flow.
Dabei ist es denkbar, dass das Anlegen der elektrischen Spannung zur Steuerung des elektroaktiven Materials aus der Batteriezelle selbst stammt. Alternativ oder zusätzlich ist das Zuführen einer externen Spannung möglich. It is conceivable that the application of the electrical voltage for controlling the electroactive material comes from the battery cell itself. Alternatively or additionally, the supply of an external voltage is possible.
Ferner ist es bei dieser Ausgestaltungsform möglich, eine Bewegung dadurch vorzusehen, dass ein elektroaktives Material verwendet wird, welches bei angelegter elektrischer Spannung einen expandierten oder einen kontrahierten Zustand einnimmt, insbesondere in einer Vorzugsrichtung der Anordnung des Materials.Further, in this embodiment, it is possible to provide a movement by using an electroactive material which assumes an expanded or a contracted state when the electrical voltage is applied, in particular in a preferred direction of the arrangement of the material.
Ein besonders hohes Maß an Sicherheit lässt sich ferner erreichen, indem nach außen hin unter Abschaltung der Bereitstellung elektrischer Energie eine Art äußerer Kurzschluss der Batteriezelle hergestellt wird. Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle dadurch erreicht, dass diese mit einem Überbrückungselement ausgebildet wird, wobei die Schalteinrichtung ausgebildet ist, mit Trennung zwischen der Ableitung und dem zugeordneten Pol mit dem Überbrückungselement schaltbar eine unmittelbare oder mittelbare mechanische und/oder galvanische Verbindung zwischen der Ableitung des zugeordneten Pols und einer Ableitung des anderen Pols zu bewirken.A particularly high level of security can be further achieved by producing a kind of external short circuit of the battery cell to the outside by switching off the provision of electrical energy. This is achieved according to a preferred embodiment of the battery cell according to the invention in that it is formed with a bridging element, wherein the switching device is formed, with separation between the derivative and the associated pole with the bridging element switchable a direct or indirect mechanical and / or galvanic connection between to cause the derivation of the associated pole and a derivative of the other pole.
Zur Steuerung der Funktion der erfindungsgemäßen Batteriezelle können unterschiedliche Maßnahmen vorgesehen werden.To control the function of the battery cell according to the invention, different measures can be provided.
So wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform die Batteriezelle (i) mit einer Steuereinrichtung ausgebildet, welche zur Steuerung der Schalteinrichtung eingerichtet ist, und/oder (ii) mit einer Steuerleitung zwischen der Schalteinrichtung und der Steuereinrichtung oder zu einer externen Steuereinrichtung zur Steuerung der Schalteinrichtung.Thus, according to a preferred embodiment, the battery cell (i) is formed with a control device which is adapted to control the switching device, and / or (ii) with a control line between the switching device and the control device or to an external control device for controlling the switching device.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriemodul geschaffen. Dieses ist mit einer Mehrzahl von Batteriezellen ausgebildet. Mehrere oder sämtliche der Batteriezellen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls können mit der erfindungsgemäßen Struktur ausgebildet sein.In accordance with another aspect of the present invention, a battery module is provided. This is formed with a plurality of battery cells. Several or all of the battery cells of the battery module according to the invention may be formed with the structure according to the invention.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Vorrichtung geschaffen. Diese kann als Fahrzeug, als Arbeitsmaschine, zum Beispiel als Roboter oder dergleichen ausgebildet sein. Die Vorrichtung weist ein Aggregat auf, welches durch die Zufuhr elektrischer Energie zumindest teilweise betrieben und/oder gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere mit einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder mit einem Batteriemodul gemäß der vorliegenden Erfindung zur Versorgung des Aggregats mit elektrischer Energie ausgebildet.Furthermore, according to the present invention, a device is also provided. This can be designed as a vehicle, as a work machine, for example as a robot or the like. The device has an aggregate, which is at least partially operated and / or controlled by the supply of electrical energy. The device according to the invention is in particular formed with a battery cell according to the present invention and / or with a battery module according to the present invention for supplying the unit with electrical energy.
Figurenlistelist of figures
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
-
1 und2 zeigen verschiedene Betriebszustände einer erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem elektroaktiven Material, welches unter Anlegung einer elektrischen Spannung in einen expandierten Zustand übergeht, -
3 und4 zeigen schematisch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem elektroaktiven Material, welches unter Anlegung einer elektrischen Spannung in einen kontrahierten Zustand übergeht, -
5 und6 zeigen schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Batteriezellen in zwei Betriebszuständen.
-
1 and2 show various operating states of a first embodiment of the battery cell according to the invention with an electroactive material, which passes under application of an electrical voltage in an expanded state, -
3 and4 show schematically another embodiment of the battery cell according to the invention with an electroactive material, which passes under application of an electrical voltage in a contracted state, -
5 and6 schematically show an embodiment of a battery module according to the invention with a plurality of inventive battery cells in two operating states.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.The illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.
Die
Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelle
In der Ausführungsform gemäß den
Ferner ist bei dieser Ausführungsform gemäß den
In der in den
Die ersten und zweiten Kontaktelemente
In der in
In dem in
Bewirkt wird der Wechsel zwischen den in den
Das elektroaktive Material
Im Übergang zu dem in
Auf Grund der elektroaktiven Eigenschaft des elektroaktiven Materials
Dabei wird im Übergang von dem Zustand der
Bei Rückkehr in den Zustand gemäß
Durch Bereitstellen einer Rückstellkraft und/oder durch Ankoppeln der Seitenflächen
In den
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß den
Auf diese Weise kann mit einer mechanische Ankopplung
Es ergibt sich somit von den im spannungslosen Fall (U = 0) gemäß
Bei den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezelle
Bei der Steuerung können Messdaten in Bezug auf den Betrieb einer Batteriezelle, eines Batteriemoduls und/oder einer zugrundeliegenden Arbeitsvorrichtung, die mit der Energie aus der Zelle oder dem Modul versorgt wird, berücksichtigt werden. Dies betrifft insbesondere Betriebszustände, Unfälle oder dergleichen.The control may take into account measurement data relating to the operation of a battery cell, a battery module and / or an underlying working device supplied with the energy from the cell or module. This applies in particular to operating states, accidents or the like.
Die
Die in den
Zusätzlich ist bei der in den
Das Überbrückungselement
Das Überbrückungselement
Mit
Das Überbrückungselement
Das erste Element 46 des Brückenelements
In den Anordnungen der
Im Übergangsbereich der ersten und zweiten Ableiter
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
- Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten zur Kontaktierung von Elektroden und jeweiligen Anschlussterminals in einer Batteriezelle. Diese Elemente können beispielsweise verschweißt oder verklebt sein. Auch ist eine formschlüssige Kontaktierung möglich.
- There are a number of possibilities for contacting electrodes and respective connection terminals in a battery cell. These elements can be welded or glued, for example. Also, a positive contact is possible.
Jedoch stellt die Kontaktierung dieser Elemente innerhalb einer Batteriezelle eine permanente Verbindung dar. Eine schaltbare Kontaktierung im Sinne einer steuerbar schaltbaren Verbindung und Trennung eines mechanischen und galvanischen Kontaktes, wie sie bei der Erfindung beschrieben ist, ist nicht bekannt.However, the contacting of these elements within a battery cell is a permanent connection. A switchable contact in the sense of a controllably switchable connection and separation of a mechanical and galvanic contact, as described in the invention, is not known.
Es stellen sich bei bekannten Batteriezellen unter anderem folgende Nachteile ein:
- - Es besteht eine permanente und direkte Kontaktierung innerhalb der Batteriezellen zwischen den Polen und Ableitern.
- - Es ist keine Abschaltung einzelner Batteriezellen möglich.
- - There is a permanent and direct contact inside the battery cells between the poles and arresters.
- - There is no shutdown of individual battery cells possible.
Die Erfindung umfasst eine Möglichkeit zur Bereitstellung einer galvanisch trennbaren Kontaktierung innerhalb einer Batteriezelle
Dies wird durch einen schaltbaren Kontakt
In beiden Fällen werden zur schaltbaren Kontaktierung so genannte elektroaktive Polymere (EAP)
Eine spannungslos geschlossene Kontaktstelle öffnet sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung:A voltage-free closed contact point opens when an electrical voltage is applied:
Bei dieser Variante ist die Kontaktstelle zwischen Pol
Dies ist in den
Eine spannungslos offene Kontaktstelle schließt sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung:A voltage-free contact point closes when an electrical voltage is applied:
Im Gegensatz zur ersten Variante ist hier die Kontaktstelle normalerweise, also im spannungslosen Fall mit U = 0 geöffnet. Erst bei Anlegen einer entsprechenden Spannung schließt sie sich durch Kontraktion des EAP
Dies ist in den
Vorteilhaft an dieser Variante ist, dass ohne eine an dem EAP
Als Erweiterung ist auch eine Kurzschlussfunktion innerhalb oder außerhalb einer Batteriezelle
Dabei wird die Kontaktierung so geschaltet, dass beide Pole
Die
Die Ansteuerung der Batteriezellen
Es stellen sich durch die Erfindung unter anderem folgende Vorteile ein:
- - Es entsteht eine schaltbare Kontaktierung zwischen
Pol 10 ,20 und Ableiter30 ,60 ineiner Batteriezelle 1 . - - Die
Abschaltung einzelner Batteriezelle 1 ineinem Modul 100 in einem Schadensfall ist möglich, dadurch erhöht sich die Betriebssicherheit.
- - There is a switchable contact between
pole 10 .20 andarresters 30 .60 in abattery cell 1 , - - The shutdown of
individual battery cell 1 in amodule 100 In a case of damage is possible, thereby increasing the reliability.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Batteriezellebattery cell
- 22
- elektrochemische Einheitelectrochemical unit
- 1010
- (erster) Pol(first) pole
- 2020
- (zweiter) Pol(second) pole
- 3030
- (erste) Ableitung(first derivative
- 4040
- Schalteinrichtungswitching device
- 4141
- erstes Kontaktelementfirst contact element
- 41-141-1
- Stirnflächeface
- 41-241-2
- Seitenflächeside surface
- 4242
- zweites Kontaktelementsecond contact element
- 42-142-1
- Stirnflächeface
- 42-242-2
- Seitenflächeside surface
- 4545
- Überbrückungselementbridging element
- 4747
- Spannungsbeaufschlagungseinrichtungvoltage application
- 5050
- Schaltmechanismusswitching mechanism
- 50-150-1
- Stirnflächeface
- 50-250-2
- Stirnflächeface
- 5151
- elektroaktives Materialelectroactive material
- 5555
- mechanische Kopplungmechanical coupling
- 6060
- (zweite) Ableitung(second) derivative
- 7070
- (interne) Steuereinrichtung(internal) control device
- 8080
- Steuerleitungcontrol line
- 9090
- (externe) Steuereinrichtung(external) control device
- 9595
- Strompfadcurrent path
- 100100
- Batteriemodulbattery module
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016222142.6A DE102016222142A1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Battery cell, battery module and device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016222142.6A DE102016222142A1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Battery cell, battery module and device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102016222142A1 true DE102016222142A1 (en) | 2018-05-17 |
Family
ID=62026636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102016222142.6A Pending DE102016222142A1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Battery cell, battery module and device |
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2016
- 2016-11-11 DE DE102016222142.6A patent/DE102016222142A1/en active Pending
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---|---|---|---|
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