DE102017207066A1 - Fast discharge device for a battery cell and battery cell - Google Patents

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battery cell
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Thomas Schaedlich
Chrysanthos Tzivanopoulos
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schnellentladevorrichtung (20) für eine Batteriezelle (2), umfassend eine Aktivierungseinheit (30), welche eine erste Stromleitschiene (21), eine zweite Stromleitschiene (22) und eine Isolationsschicht (35) zur Isolation der Stromleitschienen (21, 22) aufweist, wobei die Isolationsschicht (35) zwischen den Stromleitschienen (21, 22) angeordnet ist. Die Aktivierungseinheit (30) weist mindestens einen Haupthalbleiterschalter (41) auf, welcher derart ansteuerbar ist, dass ein Heizstrom (Ih) den Haupthalbleiterschalter (41) durchfließt. Die Schnellentladevorrichtung (20) ist derart ausgestaltet, dass durch eine Erhitzung infolge des Heizstroms (Ih) die erste Stromleitschiene (21) und die zweite Stromleitschiene (22) elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle (2), die ein negatives Terminal (15), ein positives Terminal (16) und eine erfindungsgemäße Schnellentladevorrichtung (20) umfasst, wobei eine der Stromleitschienen (21, 22) mit dem negativen Terminal (15) und eine der Stromleitschienen (21, 22) mit dem positiven Terminal (16) verbunden ist.

Figure DE102017207066A1_0000
The invention relates to a rapid discharge device (20) for a battery cell (2), comprising an activation unit (30) which has a first conductor rail (21), a second conductor rail (22) and an insulation layer (35) for insulating the conductor rails (21, 22 ), wherein the insulating layer (35) between the Stromleitschienen (21, 22) is arranged. The activation unit (30) has at least one main semiconductor switch (41), which can be controlled such that a heating current (Ih) flows through the main semiconductor switch (41). The quick discharge device (20) is designed such that by heating as a result of the heating current (Ih), the first Stromleitschiene (21) and the second Stromleitschiene (22) are electrically connected to each other. The invention also relates to a battery cell (2) comprising a negative terminal (15), a positive terminal (16) and a quick discharge device (20) according to the invention, one of the current conducting rails (21, 22) being connected to the negative terminal (15) and one of the power rails (21, 22) is connected to the positive terminal (16).
Figure DE102017207066A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnellentladevorrichtung für eine Batteriezelle, die eine Aktivierungseinheit umfasst, welche zwei Stromleitschienen und eine Isolationsschicht zur Isolation der Stromleitschienen aufweist, wobei die Isolationsschicht zwischen den Stromleitschienen angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche eine erfindungsgemäße Schnellentladevorrichtung umfasst.The invention relates to a rapid discharge device for a battery cell, which comprises an activation unit which has two Stromleitschienen and an insulating layer for insulating the Stromleitschienen, wherein the insulating layer is disposed between the Stromleitschienen. The invention also relates to a battery cell comprising a quick discharge device according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.Electrical energy can be stored by means of batteries. Batteries convert chemical reaction energy into electrical energy. Here, a distinction is made between primary batteries and secondary batteries. Primary batteries are only functional once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable. In particular, so-called lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.

Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Über die Terminals kann eine von der Batteriezelle zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle über die Terminals auch geladen werden.Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode. The two electrodes of the electrode unit are electrically connected to poles of the battery cell, which are also referred to as terminals. A voltage supplied by the battery cell can be tapped via the terminals. Furthermore, the battery cell can also be charged via the terminals.

Im Falle eines Fehlers in der Batteriezelle, beispielsweise eines internen Kurzschlusses zwischen der Anode und der Kathode, kann es erforderlich sein, die Batteriezelle zu entladen um kritische Zustände, welche zu einer Überhitzung und Explosion der Batteriezelle führen könnten, zu vermeiden. Hierzu sind Schnellentladevorrichtungen bekannt. Eine solche Schnellentladevorrichtung ist ein Überbrückungselement, welches mit den Terminals der Batteriezelle verbunden ist. Im normalen Betrieb ist die Schnellentladevorrichtung offen und isoliert die Terminals der Batteriezelle elektrisch voneinander. Im Falle eines Fehlers wird die Schnellentladevorrichtung aktiviert und verbindet dann die Terminals der Batteriezelle elektrisch miteinander. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung und die Batteriezelle wird entladen.In the event of a fault in the battery cell, such as an internal short circuit between the anode and the cathode, it may be necessary to discharge the battery cell to avoid critical conditions that could lead to overheating and explosion of the battery cell. For this purpose, fast discharge devices are known. Such a quick discharge device is a bridging element, which is connected to the terminals of the battery cell. In normal operation, the quick discharge device is open and electrically isolates the terminals of the battery cell from each other. In the case of a fault, the quick discharge device is activated and then electrically connects the terminals of the battery cell with each other. Then, a discharge current flows through the quick discharge device and the battery cell is discharged.

Die Dokumente US 2013/0252039 A1 und DE 10 2012 005 979 B4 offenbaren ein elektrisches Überbrückungselement zur Überbrückung einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers. Das Überbrückungselement umfasst dabei zwei elektrische Stromleitschienen und eine dazwischen angeordnete Schichtfolge. Die Schichtfolge weist zwei Lotschichten auf, die an je eine der Stromleitschienen angrenzen, zwei Isolationsschichten, die zwischen den Lotschichten angeordnet sind, und einen reaktiven Schichtstapel, der zwischen den Isolationsschichten angeordnet ist. Wenn der reaktive Schichtstapel aktiviert wird, so findet eine exotherme Reaktion statt und die Isolationsschichten werden zersetzt. Dadurch gelangen die elektrisch leitfähigen Lotschichten in Kontakt miteinander und somit sind die Stromleitschienen elektrisch miteinander verbunden.The documents US 2013/0252039 A1 and DE 10 2012 005 979 B4 disclose an electrical bridging element for bridging a battery cell of an electrical energy store. The bridging element comprises two electrical Stromleitschienen and a layer sequence arranged therebetween. The layer sequence has two solder layers, each of which adjoins one of the current conductor rails, two insulation layers, which are arranged between the solder layers, and a reactive layer stack, which is arranged between the insulation layers. When the reactive layer stack is activated, an exothermic reaction takes place and the insulation layers are decomposed. As a result, the electrically conductive solder layers come into contact with each other and thus the Stromleitschienen are electrically connected.

Das Dokument US 2006/0102982 A1 offenbart eine Antifuse-Struktur, welche ein integriertes Heizelement aufweist. Die Antifuse-Struktur umfasst zwei Stromleiter und eine dazwischen angeordnete dielektrische Schicht. Das integrierte Heizelement ist als zusätzlicher Stromleiter ausgestaltet und dient zum Heizen der dielektrischen Schicht.The document US 2006/0102982 A1 discloses an antifuse structure having an integrated heating element. The antifuse structure comprises two conductors and a dielectric layer disposed therebetween. The integrated heating element is configured as an additional current conductor and serves for heating the dielectric layer.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Schnellentladevorrichtung für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Schnellentladevorrichtung umfasst dabei eine Aktivierungseinheit, welche eine erste Stromleitschiene, eine zweite Stromleitschiene und eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation der Stromleitschienen aufweist. Die Isolationsschicht ist dabei zwischen den Stromleitschienen angeordnet.A quick discharge device for a battery cell is proposed. The quick discharge device comprises an activation unit, which has a first Stromleitschiene, a second Stromleitschiene and an insulating layer for electrically insulating the Stromleitschienen. The insulation layer is arranged between the Stromleitschienen.

Die Stromleitschienen der Aktivierungseinheit sind mit Terminals einer Batteriezelle verbindbar. In einem passiven Zustand ist die Schnellentladevorrichtung ausgeschaltet und die Stromleitschienen sind durch die Isolationsschicht voneinander elektrisch isoliert.The Stromleitschienen the activation unit can be connected to terminals of a battery cell. In a passive state, the quick discharge device is turned off and the power rails are electrically isolated from each other by the insulating layer.

Erfindungsgemäß weist die Aktivierungseinheit mindestens einen Haupthalbleiterschalter auf, welcher derart ansteuerbar ist, dass ein Heizstrom den Haupthalbleiterschalter durchfließt. Die Schnellentladevorrichtung ist derart ausgestaltet, dass durch eine Erhitzung infolge des Heizstroms die erste Stromleitschiene und die zweite Stromleitschiene elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist die Isolationsschicht derart ausgestaltet, dass die Isolationsschicht durch eine Erhitzung infolge des Heizstroms zumindest teilweise zersetzt wird.According to the invention, the activation unit has at least one main semiconductor switch, which can be controlled such that a heating current flows through the main semiconductor switch. The quick discharge device is designed such that the first Stromleitschiene and the second Stromleitschiene are electrically connected to each other by heating due to the heating current. Preferably, the insulating layer is configured such that the insulating layer is at least partially decomposed by heating due to the heating current.

Wenn die Isolationsschicht zersetzt ist entsteht eine elektrische Verbindung zwischen den Stromleitschienen der Aktivierungseinheit und die Schnellentladevorrichtung befindet sich in einem aktiven Zustand. In dem aktiven Zustand ist die Schnellentladevorrichtung eingeschaltet und bildet einen Kurzschluss zwischen den Terminals der Batteriezelle, welche mit den Stromleitschienen der Aktivierungseinheit verbunden sind. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung und die Batteriezelle wird entladen.When the insulation layer is decomposed, an electrical connection is created between the power rails of the activation unit and the quick discharge device is in an active state. In the active state, the quick discharge is switched on and forms a Short circuit between the terminals of the battery cell, which are connected to the Stromleitschienen the activation unit. Then, a discharge current flows through the quick discharge device and the battery cell is discharged.

Vorteilhaft drückt dabei eine Kraft die erste Stromleitschiene und die zweite Stromleitschiene gegen die Isolationsschicht, bzw. aufeinander zu. Wenn die Isolationsschicht zersetzt ist, bewirkt die besagte Kraft, dass die erste Stromleitschiene in Kontakt mit der zweiten Stromleitschiene kommt. Dadurch entsteht der elektrische Kurzschluss zwischen den Stromleitschienen und zwischen den Terminals. Somit ist die Schnellentladevorrichtung in dem aktiven Zustand.Advantageously, a force presses the first conductor rail and the second conductor rail against the insulating layer, or toward each other. When the insulating layer is decomposed, said force causes the first power rail to come into contact with the second power rail. This creates the electrical short circuit between the power rails and between the terminals. Thus, the quick discharge device is in the active state.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Haupthalbleiterschalter derart ausgestaltet und mit der Isolationsschicht gekoppelt, dass der Haupthalbleiterschalter durch den Heizstrom erhitzt wird, und dass der erhitzte Haupthalbleiterschalter die Isolationsschicht derart erhitzt, dass die Isolationsschicht zumindest teilweise zersetzt wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the main semiconductor switch is designed and coupled to the insulating layer, that the main semiconductor switch is heated by the heating current, and that the heated main semiconductor switch, the insulating layer heated so that the insulating layer is at least partially decomposed.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Haupthalbleiterschalter derart mit den Stromleitschienen elektrisch verbunden, dass der Heizstrom die Stromleitschienen durchfließt. Der Heizstrom fließt somit zwischen den Terminals der Batteriezelle, welche mit den Stromleitschienen der Aktivierungseinheit verbunden sind. Der Heizstrom wird also von der Batteriezelle selbst geliefert.According to an advantageous development of the invention, the main semiconductor switch is electrically connected to the power conducting rails such that the heating current flows through the power conducting rails. The heating current thus flows between the terminals of the battery cell, which are connected to the Stromleitschienen the activation unit. The heating current is thus supplied by the battery cell itself.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Aktivierungseinheit mindestens einen Hilfshalbleiterschalter auf, welcher derart ansteuerbar und angeordnet ist, dass der Heizstrom den Hilfshalbleiterschalter durchfließt. Mittels des Hilfshalbleiterschalters sind Diagnosefunktionen der Aktivierungseinheit realisierbar.According to a further advantageous embodiment of the invention, the activation unit has at least one auxiliary semiconductor switch which can be controlled and arranged such that the heating current flows through the auxiliary semiconductor switch. By means of the auxiliary semiconductor switch diagnostic functions of the activation unit can be realized.

Zwischen dem Haupthalbleiterschalter und dem Hilfshalbleiterschalter befindet sich ein Referenzpunkt. Durch ein alternierendes Schalten des Haupthalbleiterschalters und des Hilfshalbleiterschalters und Messung einer Spannung an dem Referenzpunkt kann eine korrekte Funktion beider Halbleiterschalter überprüft werden.There is a reference point between the main semiconductor switch and the auxiliary semiconductor switch. By alternately switching the main semiconductor switch and the auxiliary semiconductor switch and measuring a voltage at the reference point, a correct function of both semiconductor switches can be checked.

Vorzugsweise sind der Haupthalbleiterschalter und der Hilfshalbleiterschalter dabei elektrisch seriell verschaltet. Dabei ist beispielsweise der Haupthalbleiterschalter mit der zweiten Stromleitschiene verbunden und der Hilfshalbleiterschalter ist mit der ersten Stromleitschiene verbunden. Zur Aktivierung der Schnellentladevorrichtung müssen somit der Haupthalbleiterschalter und der Hilfshalbleiterschalter gleichzeitig angesteuert werden.Preferably, the main semiconductor switch and the auxiliary semiconductor switch are electrically connected in series. In this case, for example, the main semiconductor switch is connected to the second Stromleitschiene and the auxiliary semiconductor switch is connected to the first Stromleitschiene. To activate the quick discharge device thus the main semiconductor switch and the auxiliary semiconductor switch must be controlled simultaneously.

Vorteilhaft sind der Haupthalbleiterschalter und/oder der Hilfshalbleiterschalter als MOSFET, also als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor, ausgestaltet. Die Halbleiterschalter sind somit mit einer verhältnismäßig geringen Leistung ansteuerbar. Dabei ist der Haupthalbleiterschalter beispielsweise als PMOS-Typ ausgeführt und der Hilfshalbleiterschalter ist beispielsweise als NMOS-Typ ausgeführt.Advantageously, the main semiconductor switch and / or the auxiliary semiconductor switch are configured as a MOSFET, that is to say as a metal oxide semiconductor field-effect transistor. The semiconductor switches are thus controlled with a relatively low power. In this case, the main semiconductor switch is designed, for example, as a PMOS type, and the auxiliary semiconductor switch is designed, for example, as an NMOS type.

Auch andere Arten von Halbleiterschalter, die eine niederohmige Verbindung erzeugen können, sind einsetzbar. Beispielsweise sind auch Bipolartransistoren sowie NMOS-Halbleiterschalter anwendbar. Die Halbleiterschalter sind beide als „normally-off“ Typ ausgelegt.Other types of semiconductor switches that can produce a low-resistance connection can be used. For example, bipolar transistors and NMOS semiconductor switches are also applicable. The semiconductor switches are both designed as a "normally-off" type.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schnellentladevorrichtung auch eine Steuereinheit auf. Die Aktivierungseinheit ist dabei mit der Steuereinheit verbunden, und der Haupthalbleiterschalter ist von der Steuereinheit ansteuerbar. Ebenso ist der Hilfshalbleiterschalter von der Steuereinheit ansteuerbar.According to a further advantageous embodiment of the invention, the quick discharge device also has a control unit. The activation unit is connected to the control unit, and the Hauptdarbleiterschalter is controlled by the control unit. Likewise, the auxiliary semiconductor switch can be controlled by the control unit.

Bevorzugt weist die Steuereinheit einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis auf. Ein solcher anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis wird auch als ASIC bezeichnet. Der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis ist speziell auf die Anforderungen in der Schnellentladevorrichtung abgestimmt und entsprechend ausgestaltet.The control unit preferably has an application-specific integrated circuit. Such an application-specific integrated circuit is also referred to as ASIC. The application-specific integrated circuit is specially adapted to the requirements in the quick discharge device and designed accordingly.

Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche ein negatives Terminal, ein positives Terminal und eine erfindungsgemäße Schnellentladevorrichtung umfasst. Dabei ist eine der beiden Stromleitschienen, beispielsweise die erste Stromleitschiene, mit dem negativen Terminal verbunden, und eine der beiden Stromleitschienen, beispielsweise die zweite Stromleitschiene, ist mit dem positiven Terminal verbunden.A battery cell is also proposed which comprises a negative terminal, a positive terminal and a quick discharge device according to the invention. In this case, one of the two Stromleitschienen, for example, the first Stromleitschiene, connected to the negative terminal, and one of the two Stromleitschienen, for example, the second Stromleitschiene is connected to the positive terminal.

Die Terminals sind insbesondere derart mit den Stromleitschienen elektrisch verbunden, dass der Heizstrom der Batteriezelle selbst geliefert wird und die Stromleitschienen durchfließt.The terminals are in particular electrically connected to the Stromleitschienen that the heating current of the battery cell itself is supplied and the Stromleitschienen flows through.

Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen. Auch weitere Anwendungen für eine erfindungsgemäße Batteriezelle sind denkbar.A battery cell according to the invention advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV), or in a consumer electronics product. Consumer electronics products are in particular mobile phones, tablet PCs or notebooks. Other applications for a battery cell according to the invention are conceivable.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Zur Aktivierung der erfindungsgemäßen Schnellentladevorrichtung ist nur eine verhältnismäßig geringe Leistung erforderlich. Insbesondere muss zur Aktivierung der erfindungsgemäßen Schnellentladevorrichtung kein hoher Strom und keine hohe Spannung von einer externen Steuereinrichtung geliefert werden. Dadurch ergibt sich eine Einsparung von Kosten und Bauraum, insbesondere in einer externen Steuereinrichtung. Aber auch die erfindungsgemäße Schnellentladevorrichtung ist kostengünstig herstellbar und benötigt nur einen verhältnismäßig geringen Bauraum. Insbesondere muss lediglich die Isolationsschicht zwischen den Stromleitschienen angeordnet werden. Dadurch ist auch der mechanische Aufwand bei der Herstellung der Aktivierungseinheit verringert. Wenn die Schnellentladevorrichtung zwei seriell geschaltete Halbleiterschalter aufweist, so ist ferner die elektromagnetische Verträglichkeit der Schnellentladevorrichtung erhöht. Eine ungewollte Aktivierung der Schnellentladevorrichtung kann nur stattfinden, wenn beide Halbleiterschalter gleichzeitig durch ein Störsignal aktiviert werden. Mittels des anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises kann die Steuereinheit speziell auf die Anforderungen in der Schnellentladevorrichtung abgestimmt und entsprechend ausgestaltet werden.To activate the rapid discharge device according to the invention only a relatively low power is required. In particular, in order to activate the quick discharge device according to the invention, no high current and no high voltage must be supplied by an external control device. This results in a saving of costs and space, especially in an external control device. But also the quick discharge device according to the invention is inexpensive to produce and only requires a relatively small space. In particular, only the insulation layer between the Stromleitschienen must be arranged. As a result, the mechanical complexity in the production of the activation unit is reduced. Furthermore, when the quick discharge device has two series-connected semiconductor switches, the electromagnetic compatibility of the quick discharge device is increased. An unwanted activation of the quick discharge device can only take place if both semiconductor switches are activated simultaneously by an interference signal. By means of the application-specific integrated circuit, the control unit can be specially adapted to the requirements in the quick discharge device and designed accordingly.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle und
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Aktivierungseinheit.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a battery module with multiple battery cells,
  • 2 a schematic representation of a battery cell and
  • 3 a schematic sectional view through an activation unit.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, wherein a repeated description of these elements is dispensed with in individual cases. The figures illustrate the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5 mit mehreren Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind dabei seriell verschaltet. Jede Batteriezelle 2 umfasst eine Elektrodeneinheit 10, welche jeweils eine Anode 11 und eine Kathode 12 aufweist. Die Anode 11 der Elektrodeneinheit 10 ist dabei mit einem negativen Terminal 15 verbunden. Die Kathode 12 der Elektrodeneinheit 10 ist mit einem positiven Terminal 16 verbunden. Zur seriellen Verschaltung des Batteriemoduls 5 ist jeweils das negative Terminal 15 einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal 16 der benachbarten Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. 1 shows a schematic representation of a battery module 5 with several battery cells 2 , The battery cells 2 are connected in series. Every battery cell 2 includes an electrode unit 10 , which each have an anode 11 and a cathode 12 having. The anode 11 the electrode unit 10 is doing it with a negative terminal 15 connected. The cathode 12 the electrode unit 10 is with a positive terminal 16 connected. For serial connection of the battery module 5 is the negative terminal 15 a battery cell 2 with the positive terminal 16 the adjacent battery cell 2 electrically connected.

Jede Batteriezelle 2 weist ferner eine Schnellentladevorrichtung 20 auf. Die Schnellentladevorrichtung 20 ist mit dem negativen Terminal 15 sowie mit dem positiven Terminal 16 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. Die Schnellentladevorrichtung 20 ist in der hier gezeigten Darstellung ausgeschaltet, also in einem passiven Zustand. Das bedeutet, das negative Terminal 15 und das positive Terminal 16 der Batteriezelle 2 sind durch die Schnellentladevorrichtung 20 nicht elektrisch miteinander verbunden.Every battery cell 2 also has a quick discharge device 20 on. The quick unloading device 20 is with the negative terminal 15 as well as with the positive terminal 16 the battery cell 2 electrically connected. The quick unloading device 20 is switched off in the illustration shown here, ie in a passive state. That means the negative terminal 15 and the positive terminal 16 the battery cell 2 are through the quick discharge device 20 not electrically connected.

Im Fall eines Fehlers in der Batteriezelle 2 kann die Schnellentladevorrichtung 20 aktiviert werden. Nach der Aktivierung befindet sich die Schnellentladevorrichtung 20 in einem aktiven Zustand, in welchem die Schnellentladevorrichtung 20 einen Kurzschluss zwischen dem negativen Terminal 15 und dem positiven Terminal 16 bildet. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung 20 und die Batteriezelle 2 wird dadurch entladen.In case of a fault in the battery cell 2 can the fast discharge device 20 to be activated. After activation, the quick discharge device is located 20 in an active state, in which the fast discharge device 20 a short circuit between the negative terminal 15 and the positive terminal 16 forms. Thereupon, a discharge current flows through the quick discharge device 20 and the battery cell 2 is discharged by it.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Wie bereits aus 1 bekannt, umfasst die Batteriezelle 2 eine Elektrodeneinheit 10, ein negatives Terminal 15, ein positives Terminal 16 und eine Schnellentladevorrichtung 20. Die Schnellentladevorrichtung 20 ist dabei elektrisch mit dem negativen Terminal 15 und dem positiven Terminal 16 verbunden. Die Schnellentladevorrichtung 20 umfasst eine Aktivierungseinheit 30 und eine Steuereinheit 50. 2 shows a schematic representation of a battery cell 2 , As already out 1 known, includes the battery cell 2 an electrode unit 10 , a negative terminal 15 , a positive terminal 16 and a quick discharge device 20 , The quick unloading device 20 is electrically connected to the negative terminal 15 and the positive terminal 16 connected. The quick unloading device 20 includes an activation unit 30 and a control unit 50 ,

Die Aktivierungseinheit 30 weist eine erste Stromleitschiene 21, eine zweite Stromleitschiene 22 und eine Isolationsschicht 35 auf. Die erste Stromleitschiene 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 15 verbunden. Die zweite Stromleitschiene 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 16 verbunden. Die Isolationsschicht 35 ist zwischen der ersten Stromleitschiene 21 und der zweiten Stromleitschiene 22 angeordnet. Die Isolationsschicht 35 isoliert somit die erste Stromleitschiene 21 und die zweite Stromleitschiene 22 voneinander. Somit sind die Stromleitschienen 21, 22 voneinander isoliert, und die Terminals 15, 16 sind voneinander elektrisch isoliert.The activation unit 30 has a first Stromleitschiene 21 , a second power rail 22 and an insulation layer 35 on. The first conductor rail 21 is electric with the negative terminal 15 connected. The second power rail 22 is electric with the positive terminal 16 connected. The insulation layer 35 is between the first power rail 21 and the second power rail 22 arranged. The insulation layer 35 thus isolates the first Stromleitschiene 21 and the second power rail 22 from each other. Thus, the power rails 21 . 22 isolated from each other, and the terminals 15 . 16 are electrically isolated from each other.

Die Aktivierungseinheit 30 weist ferner einen Haupthalbleiterschalter 41 und einen Hilfshalbleiterschalter 42 auf. Der Haupthalbleiterschalter 41 und der Hilfshalbleiterschalter 42 sind dabei seriell miteinander verschaltet. Der Haupthalbleiterschalter41 ist mit der zweiten Stromleitschiene 22 elektrisch verbunden. Der Hilfshalbleiterschalter 42 ist mit der ersten Stromleitschiene 21 elektrisch verbunden. Somit bilden der Haupthalbleiterschalter 41 und der Hilfshalbleiterschalter 42 eine Serienschaltung, welche an die Stromleitschienen 21, 22 angeschlossen ist, und welche parallel zu der Isolationsschicht 35 geschaltet ist.The activation unit 30 also has a main semiconductor switch 41 and an auxiliary semiconductor switch 42 on. The main semiconductor switch 41 and the auxiliary semiconductor switch 42 are serial interconnected with each other. The main semiconductor switch 41 is with the second power rail 22 electrically connected. The auxiliary semiconductor switch 42 is with the first power rail 21 electrically connected. Thus, the main semiconductor switch 41 and the auxiliary semiconductor switch 42 a series connection, which to the power rails 21 . 22 is connected, and which parallel to the insulation layer 35 is switched.

Die Aktivierungseinheit 30 weist ferner einen ersten Anschlusspunkt 31 auf, der mit einem Steuereingang des Haupthalbleiterschalters 41 elektrisch verbunden ist. Ebenso weist die Aktivierungseinheit 30 einen zweiten Anschlusspunkt 32 auf, der mit einem Steuereingang des Hilfshalbleiterschalters 42 verbunden ist. Die Aktivierungseinheit 30 weist ferner einen dritten Anschlusspunkt 33 auf, der mit einem Referenzpunkt 43 elektrisch verbunden ist. Der Referenzpunkt 43 befindet sich dabei auf der elektrischen Verbindung zwischen dem Haupthalbleiterschalter 41 und dem Hilfshalbleiterschalter 42.The activation unit 30 also has a first connection point 31 which is connected to a control input of the main semiconductor switch 41 electrically connected. Likewise, the activation unit 30 a second connection point 32 on, with a control input of the auxiliary semiconductor switch 42 connected is. The activation unit 30 also has a third connection point 33 on that with a reference point 43 electrically connected. The reference point 43 is located on the electrical connection between the main semiconductor switch 41 and the auxiliary semiconductor switch 42 ,

Die Steuereinheit 50 umfasst einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis 55. Ein solcher anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis 55 wird auch als ASIC bezeichnet. Die Steuereinheit 50 umfasst eine erste Anschlussstelle 51, welche mittels einer Leitung mit dem ersten Anschlusspunkt 31 der Aktivierungseinheit 30 verbunden ist. Auch umfasst die Steuereinheit 50 eine zweite Anschlussstelle 52, welche mit dem zweiten Anschlusspunkt 32 der Aktivierungseinheit 30 verbunden ist. Ferner umfasst die Steuereinheit 50 eine dritte Anschlussstelle 53, die mit dem dritten Anschlusspunkt 33 der Aktivierungseinheit 30 verbunden ist. Die Anschlussstellen 51, 52, 53 sind ebenfalls mit dem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis 55 verbunden. Die Steuereinheit 50 ist ferner mittels einer negativen Versorgungsleitung 25 mit dem negativen Terminal 15 verbunden. Auch ist die Steuereinheit 50 mittels einer positiven Versorgungsleitung 26 mit dem positiven Terminal 16 verbunden.The control unit 50 includes an application specific integrated circuit 55 , Such an application-specific integrated circuit 55 is also referred to as ASIC. The control unit 50 includes a first connection point 51 , which by means of a line to the first connection point 31 the activation unit 30 connected is. Also includes the control unit 50 a second connection point 52 , which with the second connection point 32 the activation unit 30 connected is. Furthermore, the control unit comprises 50 a third connection point 53 that with the third connection point 33 the activation unit 30 connected is. The connection points 51 . 52 . 53 are also available with the application specific integrated circuit 55 connected. The control unit 50 is also by means of a negative supply line 25 with the negative terminal 15 connected. Also, the control unit 50 by means of a positive supply line 26 with the positive terminal 16 connected.

In der hier gezeigten Darstellung ist die Schnellentladevorrichtung 20 ausgeschaltet und die Stromleitschienen 21, 22 sind elektrisch voneinander isoliert. Zur Aktivierung der Schnellentladevorrichtung 20 gibt der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis 55 der Steuereinheit 50 ein entsprechendes Signal über die erste Anschlussstelle 51 und den ersten Anschlusspunkt 31 zu dem Steuereingang des Haupthalbleiterschalters 41. Gleichzeitig gibt der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis 55 der Steuereinheit 50 über die zweite Anschlussstelle 52 und den zweiten Anschlusspunkt 32 ein entsprechendes Signal an den Steuereingang des Hilfshalbleiterschalters 42.In the illustration shown here is the quick discharge device 20 switched off and the power rails 21 . 22 are electrically isolated from each other. To activate the quick discharge device 20 gives the application specific integrated circuit 55 the control unit 50 a corresponding signal via the first connection point 51 and the first connection point 31 to the control input of the main semiconductor switch 41 , At the same time there is the application-specific integrated circuit 55 the control unit 50 over the second connection point 52 and the second connection point 32 a corresponding signal to the control input of the auxiliary semiconductor switch 42 ,

Durch diese Ansteuerung durch die Steuereinheit 50 werden der Haupthalbleiterschalter 41 und der Hilfshalbleiterschalter 42 geschlossen und bilden somit einen Kurzschluss zwischen der ersten Stromleitschiene 21 und der zweiten Stromleitschiene 22 und damit auch zwischen dem negativen Terminal 15 und dem positiven Terminal 16. Dadurch fließt ein Heizstrom Ih durch die Haupthalbleiterschalter 41, 42.Through this control by the control unit 50 become the main semiconductor switch 41 and the auxiliary semiconductor switch 42 closed and thus form a short circuit between the first Stromleitschiene 21 and the second power rail 22 and thus between the negative terminal 15 and the positive terminal 16 , As a result, a heating current Ih flows through the main semiconductor switches 41 . 42 ,

Aufgrund des Heizstroms Ih erfolgt eine Erhitzung der Aktivierungseinheit 30. Die Erhitzung der Aktivierungseinheit 30 bedingt insbesondere eine Erhitzung der Isolationsschicht 35. Durch diese Erhitzung erfolgt eine Zersetzung der Isolationsschicht 35, welche sich dadurch zumindest teilweise, insbesondere fast annähernd vollständig auflöst. Nachdem die Isolationsschicht 35 zersetzt ist, besteht ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten Stromleitschiene 21 und der zweiten Stromleitschiene 22. Somit besteht auch ein Kurzschluss zwischen dem negativen Terminal 15 und dem positiven Terminal 16.Due to the heating current Ih, the activation unit is heated 30 , The heating of the activation unit 30 requires in particular a heating of the insulation layer 35 , This heating causes decomposition of the insulation layer 35 , which thereby at least partially, in particular almost almost completely dissolves. After the insulation layer 35 is decomposed, there is an electrical contact between the first Stromleitschiene 21 and the second power rail 22 , Thus, there is also a short circuit between the negative terminal 15 and the positive terminal 16 ,

Die Schnellentladevorrichtung 20 ist somit eingeschaltet und befindet sich in einem aktiven Zustand. Es fließt ein Entladestrom durch die Aktivierungseinheit 30 der Schnellentladevorrichtung 20 und die Batteriezelle 2 wird durch den besagten Entladestrom entladen.The quick unloading device 20 is thus switched on and is in an active state. A discharge current flows through the activation unit 30 the quick-discharger 20 and the battery cell 2 is discharged by the said discharge current.

3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine Aktivierungseinheit 30 einer Schnellentladevorrichtung 20. Die Isolationsschicht 35 ist, wie bereits erwähnt, zwischen der ersten Stromleitschiene 21 und der zweiten Stromleitschiene 22 angeordnet. In der hier gezeigten Darstellung ist die Schnellentladevorrichtung 20 in einem passiven Zustand, und die erste Stromleitschiene 21 ist mittels der Isolationsschicht 35 von der zweiten Stromleitschiene 22 elektrisch isoliert. 3 shows a schematic sectional view through an activation unit 30 a quick discharge device 20 , The insulation layer 35 is, as already mentioned, between the first Stromleitschiene 21 and the second power rail 22 arranged. In the illustration shown here is the quick discharge device 20 in a passive state, and the first power rail 21 is by means of the insulation layer 35 from the second power rail 22 electrically isolated.

Die Isolationsschicht 35 ist als verhältnismäßig dünne Polymerfolie ausgestaltet und ragt aus einem Bereich zwischen den Stromleitschienen 21, 22 heraus. Auf die Isolationsschicht 35 ist der Haupthalbleiterschalter 41 unmittelbar aufgebracht, beispielsweise geklebt. Ebenso ist der Hilfshalbleiterschalter 42 unmittelbar auf die Isolationsschicht 35 aufgebracht, insbesondere geklebt. Die Halbleiterschalter 41, 42 sind vorzugsweise als „Bare Die“ ausgebildet. Die Halbleiterschalter 41, 42 sind vorliegend von einer Vergussmasse 45 umgeben, welche die Halbleiterschalter 41, 42 annähernd vollständig umgibt.The insulation layer 35 is designed as a relatively thin polymer film and protrudes from an area between the Stromleitschienen 21 . 22 out. On the insulation layer 35 is the main semiconductor switch 41 applied directly, for example glued. Likewise, the auxiliary semiconductor switch 42 directly on the insulation layer 35 applied, in particular glued. The semiconductor switches 41 . 42 are preferably designed as "bare die". The semiconductor switches 41 . 42 are present of a potting compound 45 Surrounded by the semiconductor switches 41 . 42 almost completely surrounds.

Bei einer Aktivierung der Schnellladevorrichtung 20 fließt, wie bereits erwähnt, der Heizstrom Ih durch den ersten Haupthaltleiterschalter 41 und den zweiten Hilfshalbleiterschalter 42. Dabei wird insbesondere der Haupthalbleiterschalter 41 erhitzt. Ebenso wird der Hilfshalbleiterschalter 42 erhitzt. Die Halbleiterschalter 41, 42 sind, wie bereits erwähnt, unmittelbar auf der Isolationsschicht 35 angebracht. Die in den Halbleiterschaltern 41, 42 entstehende Wärme wird somit unmittelbar auf die Isolationsschicht 35 übertragen und an diese abgegeben. Die Isolationsschicht 35 ist derart ausgestaltet, dass aufgrund des Wärmeeintrags durch die Halbleiterschalter 41, 42 unmittelbar eine Zersetzung der Isolationsschicht 35, beispielsweise durch Schmelzen, eintritt.Upon activation of the fast charging device 20 As already mentioned, the heating current Ih flows through the first main holding conductor switch 41 and the second auxiliary semiconductor switch 42 , In this case, in particular, the main semiconductor switch 41 heated. Likewise, the auxiliary semiconductor switch 42 heated. The semiconductor switches 41 . 42 are, as already mentioned, directly on the insulation layer 35 appropriate. The in the semiconductor switches 41 . 42 resulting heat is thus directly on the insulation layer 35 transferred and delivered to this. The insulation layer 35 is designed such that due to the heat input through the semiconductor switches 41 . 42 immediately a decomposition of the insulation layer 35 , for example, by melting occurs.

Eine hier nicht dargestellte Kraft drückt die erste Stromleitschiene 21 und die zweite Stromleitschiene 22 gegen die Isolationsschicht 35, bzw. aufeinander zu. Wenn die Isolationsschicht 35 zersetzt ist, bewirkt die besagte Kraft, dass die erste Stromleitschiene 21 in Kontakt mit der zweiten Stromleitschiene 22 kommt. Dadurch entsteht der elektrische Kurzschluss zwischen den Stromleitschienen 21, 22 und zwischen den Terminals 15, 16. Somit ist die Schnellentladevorrichtung 20 in dem aktiven Zustand.A force, not shown here presses the first Stromleitschiene 21 and the second power rail 22 against the insulation layer 35 , or towards each other. If the insulation layer 35 decomposed, the said force causes that the first Stromleitschiene 21 in contact with the second power rail 22 comes. This creates the electrical short circuit between the power rails 21 . 22 and between the terminals 15 . 16 , Thus, the quick discharge device is 20 in the active state.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Schnellentladevorrichtung (20) für eine Batteriezelle (2), umfassend eine Aktivierungseinheit (30), welche eine erste Stromleitschiene (21), eine zweite Stromleitschiene (22) und eine Isolationsschicht (35) zur Isolation der Stromleitschienen (21, 22) aufweist, wobei die Isolationsschicht (35) zwischen den Stromleitschienen (21, 22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungseinheit (30) mindestens einen Haupthalbleiterschalter (41) aufweist, welcher derart ansteuerbar ist, dass ein Heizstrom (Ih) den Haupthalbleiterschalter (41) durchfließt, und dass die Schnellentladevorrichtung (20) derart ausgestaltet ist, dass durch eine Erhitzung infolge des Heizstroms (Ih) die erste Stromleitschiene (21) und die zweite Stromleitschiene (22) elektrisch leitend miteinander verbunden werden.A quick discharge device (20) for a battery cell (2), comprising an activation unit (30) having a first Stromleitschiene (21), a second Stromleitschiene (22) and an insulating layer (35) for insulating the Stromleitschienen (21, 22), wherein the insulation layer (35) is arranged between the conductor rails (21, 22), characterized in that the activation unit (30) has at least one main semiconductor switch (41) which can be controlled such that a heating current (Ih) flows through the main semiconductor switch (41) and in that the quick discharge device (20) is designed in such a way that the first conductor bar (21) and the second conductor bar (22) are connected to one another in an electrically conductive manner by heating as a result of the heating current (Ih). Schnellentladevorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (35) derart ausgestaltet ist, dass die Isolationsschicht (35) durch eine Erhitzung infolge des Heizstroms (Ih) zumindest teilweise zersetzt wird.Quick Discharge Device (20) after Claim 1 , characterized in that the insulating layer (35) is designed such that the insulating layer (35) is at least partially decomposed by heating due to the heating current (Ih). Schnellentladevorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupthalbleiterschalter (41) derart ausgestaltet und mit der Isolationsschicht (35) gekoppelt ist, dass der Haupthalbleiterschalter (41) durch den Heizstrom (Ih) erhitzt wird, und dass der erhitzte Haupthalbleiterschalter (41) die Isolationsschicht (35) erhitzt.A quick discharge device (20) according to any one of the preceding claims, characterized in that the main semiconductor switch (41) is configured and coupled to the insulating layer (35) so that the main semiconductor switch (41) is heated by the heating current (Ih) and the heated one Main semiconductor switch (41) heats the insulating layer (35). Schnellentladevorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupthalbleiterschalter (41) derart mit den Stromleitschienen (21, 22) elektrisch verbunden ist, dass der Heizstrom (Ih) die Stromleitschienen (21, 22) durchfließt.Quick discharge device (20) according to any one of the preceding claims, characterized in that the main semiconductor switch (41) is electrically connected to the Stromleitschienen (21, 22) such that the heating current (Ih) flows through the Stromleitschienen (21, 22). Schnellentladevorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungseinheit (30) mindestens einen Hilfshalbleiterschalter (42) aufweist, welcher derart ansteuerbar und angeordnet ist, dass der Heizstrom (Ih) den Hilfshalbleiterschalter (42) durchfließt.Quick discharge device (20) according to any one of the preceding claims, characterized in that the activation unit (30) has at least one auxiliary semiconductor switch (42) which is so controlled and arranged that the heating current (Ih) flows through the auxiliary semiconductor switch (42). Schnellentladevorrichtung (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupthalbleiterschalter (41) und der Hilfshalbleiterschalter (42) elektrisch seriell verschaltet sind.Quick Discharge Device (20) after Claim 5 , characterized in that the main semiconductor switch (41) and the auxiliary semiconductor switch (42) are electrically connected in series. Schnellentladevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupthalbleiterschalter (41) und/oder der Hilfshalbleiterschalter (42) als MOSFET ausgestaltet sind.Quick unloading device (20) according to one of Claims 5 to 6 , characterized in that the main semiconductor switch (41) and / or the auxiliary semiconductor switch (42) are designed as a MOSFET. Schnellentladevorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungseinheit (30) mit einer Steuereinheit (50) verbunden ist, und dass der Haupthalbleiterschalter (41) von der Steuereinheit (50) ansteuerbar ist.Quick discharge device (20) according to any one of the preceding claims, characterized in that the activation unit (30) with a control unit (50) is connected, and that the main semiconductor switch (41) by the control unit (50) is controllable. Schnellentladevorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50) einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (55) aufweist.Quick Discharge Device (20) after Claim 8 characterized in that the control unit (50) comprises an application specific integrated circuit (55). Batteriezelle (2), umfassend ein negatives Terminal (15), ein positives Terminal (16) und eine Schnellentladevorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine der Stromleitschienen (21, 22) mit dem negativen Terminal (15) und eine der Stromleitschienen (21, 22) mit dem positiven Terminal (16) verbunden ist.Battery cell (2) comprising a negative terminal (15), a positive terminal (16) and a quick discharge device (20) according to any one of the preceding claims, wherein one of the Stromleitschienen (21, 22) with the negative terminal (15) and one of the power rails (21, 22) is connected to the positive terminal (16). Verwendung einer Batteriezelle (2) nach Anspruch 10 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.Use of a battery cell (2) after Claim 10 in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV) or in a consumer electronics product.
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