DE102017207066A1 - Fast discharge device for a battery cell and battery cell - Google Patents
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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. 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).
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
Das Dokument
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:
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1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren Batteriezellen, -
2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle und -
3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Aktivierungseinheit.
-
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.
Jede Batteriezelle
Im Fall eines Fehlers in der Batteriezelle
Die Aktivierungseinheit
Die Aktivierungseinheit
Die Aktivierungseinheit
Die Steuereinheit
In der hier gezeigten Darstellung ist die Schnellentladevorrichtung
Durch diese Ansteuerung durch die Steuereinheit
Aufgrund des Heizstroms Ih erfolgt eine Erhitzung der Aktivierungseinheit
Die Schnellentladevorrichtung
Die Isolationsschicht
Bei einer Aktivierung der Schnellladevorrichtung
Eine hier nicht dargestellte Kraft drückt die erste Stromleitschiene
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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2013/0252039 A1 [0005]US 2013/0252039 A1 [0005]
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