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Die Erfindung geht aus von einem Ableiterelement einer Elektrodenanordnung von einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriesystems mit dem Ableiterelement sowie einer Verwendung des Ableiterelements in elektrischen Energiespeichern gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Die Druckschrift
EP 2823520 A1 offenbart ein Batteriesystem mit einem Verbinder, der drei oder mehr Batteriezellen parallel verbindet, wobei der Verbinder eine Schmelzsicherung aufweist. Diese Sicherung wird durch eine Verjüngung einer Querschnittsfläche des Verbinders geformt.
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Die Druckschrift
CN 105047497 offenbart eine Sicherung zum Schutz von Zellen eines Batteriepacks eines Elektrofahrzeugs, wobei die Sicherung eine Stromsammelschienenlötöse, ein Paar von Batterieanschlussklemmen, die symmetrisch zur Stromsammelschienenlötöse angeordnet sind umfasst und in einem Batteriemodul eines Elektrofahrzeugs zum Schutz von Zellen des Batteriemoduls angeordnet ist.
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Batterien, die für einen Einsatz als Energiespeicher im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sind, bestehen in der Regel aus mehreren einzelnen Batteriezellen, die für sich schon einzelne Batterien sind und für den jeweiligen Anwendungsfall in mehrfacher Ausführung mit Hilfe von sogenannten Zellverbindern verschaltet werden. So kann beispielsweise durch eine serielle Verschaltung eine Erhöhung der Ausgangsspannung der Batterie auf ein gewünschtes Spannungslevel, beispielsweise ein Spannungslevel von 48 V, erreicht werden. Weiter kann beispielsweise durch eine parallele Verschaltung eine Erhöhung der Kapazität erreicht werden.
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Durch eine Kombination einer Serien- und Parallelschaltung kann somit eine Batterie mit gewünschter Spannung und Kapazität realisiert werden.
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Um eine Betriebssicherheit der Batterie zu gewährleisten, sind bestimmte Erprobungen gesetzlich vorgeschrieben, deren Bestehen auch gegenüber der Zelle nachzuweisen sein kann, da ansonsten eine Zustimmung zum geplanten Einsatz im Automobilbereich verweigert werden kann.
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Eine Ausführung dieser Erprobung ist der sogenannte Propagationstest. Ursächlich für die Vorgabe des Propagationstests ist beispielsweise, dass in der Herstellung einer elektrochemischen Zelle nicht sicher ausgeschlossen werden kann, dass metallische und elektrisch leitfähige Partikel unerwünscht im Inneren der Zelle verbaut wird. Hierdurch kann beispielweise im späteren Einsatz ein spontaner zellinterner Kurzschluss verursacht werden, beispielsweise wenn der Partikel die Membran durchbohrt und somit die Zelle intern kurzschließt, wodurch sich zunächst die Zelle über diesen elektrisch leitfähigen Partikel entlädt. Da der elektrische Innenwiderstand der intern kurzgeschlossenen Zelle deutlich niedriger ist als in einem regulären Betrieb, entladen sich zusätzlich die parallel geschalteten Zellen über die intern kurzgeschlossene Zelle. Durch den Kurzschlussstrom werden sowohl die intern kurzgeschlossene Zelle, als auch die sich entladenden Zellen noch schneller und stärker erhitzt.
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Solange der Stromfluss nicht unterbrochen wird, beispielsweise durch ein Relais, fließt ein Großteil des Stroms der seriell angeordneten Zellen ebenfalls über die kurzgeschlossene Zelle. Durch die Kurzschluss- und Entladeströme kommt es zu einer weiteren Temperaturerhöhung, die zu einem Brand der Zelle führen kann.
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Im Propagationstest selbst wird ein Fehlerfall des Kurzschlusses durch ein metallisches Partikel so nachgebildet, dass eine Zelle beispielsweise mit Hilfe eines leitfähigen Nagels mehrere Millimeter penetriert wird. Durch den Nagel werden mehrere Lagen der Zelle durchstochen. Es stellt sich ein hoher interner Kurzschlussstrom ein, der zu einer extremen lokalen Temperaturerhöhung führt. Ist eine Grenztemperatur überschritten, kommt es zu einem sogenannten thermischen Durchgehen („thermal runaway“), das heißt zu einer exothermen Reaktion, bei der eine weitere Erwärmung nicht mehr aufgehalten werden kann. Dieses thermische Durchgehen kann auch auf andere Zellen übergreifen, wenn diese ihre Grenztemperatur ebenfalls überschreiten.
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Daher ist ein Bestehungskriterium für den Propagationstest, dass keine weitere Zelle sich unkontrolliert erwärmt. Das bedeutet, dass das thermische Durchgehen auf die beschädigte Zelle begrenzt bleiben muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Ableiterelement einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich sowie zweite elektrisch leitfähige Bereiche umfasst, wobei die zweiten elektrisch leitfähigen Bereiche jeweils zumindest zwei elektrisch leitfähige fingerartige Elemente umfassen, wobei jeweils eine Elektrode der elektrochemischen Zellen der Elektrodenanordnung, insbesondere eine Anode oder Kathode, mit zumindest zwei der fingerartigen Elementen eines der zweiten Bereiche elektrisch verbindbar ist, wobei der erste elektrisch leitfähige Bereiche mit den zweiten elektrisch leitfähigen Bereichen elektrisch verbunden ist und die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereichen zumindest teilweise elektrisch nicht leitend unterbrochen ist.
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Dadurch können elektrochemische Zellen elektrisch leitend miteinander verbunden werden und elektrischer Strom, insbesondere ein Nennstrom, ohne wesentliche Spannungsverluste zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereichen fließen kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Durch die elektrisch nicht leitenden Unterbrechungen werden Schmelzbereiche gebildet, wodurch eine Stromtragfähigkeit der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereichen reduziert wird.
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Vorteilhafterweise sind die Schmelzbereiche mit Hilfe gängiger Stanz-Biege-Verfahren prozesssicher herstellbar und weisen eine ausreichend hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen, beispielsweise Vibrationen, und Temperaturwechseln auf.
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Die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bereich und einem der zweiten Bereiche wird bei einem Überschreiten eines Schwellenwerts des zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich fließenden Stroms unterbrochen. Durch die Schmelzbereiche ist eine Stromtragfähigkeit der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich verringert, so dass mittels der elektrischen Verbindung in Form eines Stegs eine Schmelzsicherung gebildet wird. Die Unterbrechung der elektrischen Verbindung kann beispielsweise in einem Fehlerfall durch ein Aufschmelzen der Schmelzbereiche der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich eigenständig erfolgen.
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Dadurch kann beispielweise während eines abnormen Betriebszustands zumindest eine kurzgeschlossene elektrochemische Zelle von einem Stromkreis abgetrennt werden, wodurch eine weitere Erhitzung zuverlässig verhindert wird. Dadurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine Kettenreaktion mit einer hohen Zuverlässigkeit im Wesentlichen verhindert.
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Durch eine geeignete Wahl einer Geometrie der Schmelzbereiche kann die Stromtragfähigkeit an einen jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, also der Schwellenwert des zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereich maximal zulässigen fließenden Stroms, definiert werden.
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Die fingerartigen Elemente weisen zumindest teilweise dritte elektrisch leitfähige Bereich auf, die mit den zweiten elektrisch leitfähigen Bereichen elektrisch verbunden sind.
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Durch die dritten elektrisch leitfähigen Bereiche ist vorteilhafterweise eine prozesssichere Kontaktierung der zweiten elektrisch leifähigen Bereiche mit elektrochemischen Zellen, insbesondere von Elektroden der elektrochemischen Zellen, mittels der dritten elektrisch leifähigen Bereiche möglich. Die dritten elektrisch leitfähigen Bereiche können vorteilhafterweise für ein Widerstandsschweißverfahren genutzt werden.
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Vorteilhafterweise sind die Schmelzbereiche 130 (1), 130 (2), 130 (3) zwischen 0,3 und 2 mm, insbesondere 0,5 mm, breit und/oder zwischen 1 und 5 mm, insbesondere 1 mm, lang.
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Vorteilhafterweise sind die Schmelzbereiche 131 (1), 131 (2) zwischen 0,3 und 2 mm, insbesondere 0,75 mm, breit und/oder zwischen 0,5 und 5 mm, insbesondere 1 mm, lang.
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Vorteilhafterweise weist das Ableiterelement 101 eine Materialstärke zwischen 0,1 und 5 mm, insbesondere zwischen 0,2 und 0,5 mm, auf.
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Die dritten elektrisch leitfähigen Bereiche weisen vorteilhafterweise eine konvexe oder konkave Form auf. Dadurch wird eine hinreichend kleine Kontaktfläche für einen Schweißstrom bei dem Widerstandsschweißverfahren erreicht. In einer Ausführungsform umfassen die dritten Bereiche einen Buckel, der während des Widerstandsschweißen im Wesentlich zurückverformt wird.
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Vorteilhafterweise umfasst das Ableiterelement Kupfer, Nickel und/oder Aluminium, wodurch eine gute Stromleitfähigkeit des Ableiterelements erreicht wird. Das Ableiterelement ist vorteilhafterweise einstückig ausgeführt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Batteriesystems mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen und einem Ableiterelement umfasst folgende Schritte:
- - Herstellung eines Ableiterelements durch:
- - Walzen eines elektrisch leitfähigen Rohlings, insbesondere eines einstückigen Kupfer, Nickel und/oder Aluminium-Rohlings, wodurch ein erster Bereich des Ableiterelements geformt wird;
- - Stanzen des gewalzten ersten Bereichs, wodurch zweite Bereiche, insbesondere zwei elektrisch leitfähige fingerartige Elemente umfassend, und/oder eine Mehrzahl von elektrisch nicht leitenden Unterbrechungen geformt werden;
- - Einsetzen der Mehrzahl von Zellen in eine Zellhalterung, insbesondere mit abwechselnder Anordnung von Elektroden der Zellen;
- - Einsetzen einer Mehrzahl von Ableiterelementen, um mechanisches Kontaktieren mit den Elektroden;
- - Widerstandsschweißen mittels zumindest zwei der leitfähigen fingerartigen Elementen jeweils eines der zweiten Bereiche zum Kontaktieren der fingerartigen Elemente mit den Elektroden der Zellen zu einer Serienschaltung und/oder Parallelschaltung der Mehrzahl von Zellen;
- - Elektrisches Kontaktieren der Ableiterelemente mit Anschlusspolen des Batteriesystems.
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In einer alternativen Ausführungsform werden die gestanzten zweiten Bereiche in der Art gebogen, dass mit den zweiten Bereichen elektrisch verbundene dritte Bereiche geformt und mittels Widerstandsschweißen zumindest zwei dritte Bereiche der leitfähigen fingerartigen Elemente jeweils eines der zweiten Bereiche der fingerartigen Elemente mit den Elektroden der Zellen zu einer Serienschaltung und/oder Parallelschaltung der Mehrzahl von Zellen kontaktiert werden.
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Vorteilhafterweise kann mittels herkömmlicher Herstellungsverfahren das Batteriesystem mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen und dem erfindungsgemäßen Ableiterelement hergestellt werden. Weiter ist ein hochautomatisierter Herstellungsprozess möglich.
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Eine Anpassung einer Serienschaltung und/oder einer Parallelschaltung der Mehrzahl von Zellen, ist durch eine einfache geometrische Änderung des Ableiterelements möglich.
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Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Ableiterelement in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs, oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Batteriesystem mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ableiterelements; und
- 2 eine schematische Detaildarstellung der ersten Ausführungsform des Ableiterelements; und
- 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ableiterelements; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Aufschmelzverhaltens der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ableiterelements.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt ein Batteriesystem mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ableiterelements. Das Batteriesystem 100 umfasst eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen 109, 110, 111, 112, 113, welche in einer Zellhalterung 106 eingesetzt sind, ein Ableiterelement 101 mit einem ersten elektrisch leitfähigen Bereich 101 (1), zweiten elektrisch leitfähigen Bereichen 101 (2) sowie dritten elektrisch leitfähigen Bereichen 101 (3). Die zweiten Bereiche 101 (2) umfassen in der gezeigten Ausführungsform erste elektrisch leitfähige Finger 101 (2a) und zweite elektrisch leitfähige Finger 101 (2b). Ein erster dritter Bereich 101 (3a) ist auf den ersten Fingern 101 (2a) sowie ein zweiter dritter Bereich 101 (3b) auf den zweiten Fingern 101 (2b) ausgeprägt. Weiter umfassen die zweiten Bereiche 101 (2) einen Dehnungsbereich 105, wodurch beispielsweise Bewegungen der elektrochemischen Zellen in dem Zellhalter 106 ausgeglichen werden können und/oder ein räumlicher Abstand zwischen dem Ableiterelement 101 und dem Zellhalter 106 und/oder einem Gehäuse der elektrochemischen Zellen 109, 110, 111, 112, 113 sichergestellt wird.
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Der erste Bereich 101 (1) ist elektrisch leitend mit den zweiten Bereichen 101 (2) verbunden, wobei elektrisch nicht leitende Unterbrechungen, beispielsweise in Form von Aussparungen 132, vorgesehen sind, welche die Stromtragfähigkeit der elektrisch leitenden Verbindungen reduzieren. In der dargestellten Ausführungsform sind die Aussparungen 132 ausgestanzt, also elektrisch nicht leitend. Durch die Aussparungen 132 werden erste, zweite und dritte Schmelzbereiche 130 (1), 130 (2), 130 (3) sowie weitere Schmelzbereiche 131 (1), 131 (2) gebildet.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die erste Zelle 109, die dritte Zelle 111 und die fünfte Zelle 113 der Art in die Zellhalterung 106 eingesetzt, dass die Kathode in Richtung des Zellhalters 106 ausgerichtet ist. Die zweite Zelle 110 und die vierte Zelle 112 sind in der Art in die Zellhalterung 106 eingesetzt, dass die Anode in Richtung der Zellhalterung 106 ausgerichtet ist.
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Die ersten und zweiten Finger 101 (2a), 101 (2b) sind elektrisch mit den Elektroden der elektrochemischen Zellen 109, 110, 111, 112, 113 verbunden, vorzugsweise eine durch ein Widerstandschweißverfahren hergestellte Verbindung.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die zweite und vierte Zelle 110, 112 bzw. die erste, dritte und fünfte Zelle 109, 111, 113 parallel geschalten. Durch das Ableiterelement 101 sind die zweite und vierte Zelle 110, 112 in Serie zu der ersten, dritten und fünften Zelle 109, 111, 113 elektrisch verbunden.
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Typische Nennströme fließen ohne wesentliche Spannungsverluste durch die Schmelzbereiche 130 (1), 130 (2), 130 (3) bzw.131 (1), 131 (2). Tritt ein Kurzschlussfall in einer der Zellen 109, 110, 111, 112, 113 auf, so erwärmen sich die ersten, zweiten und dritten Schmelzbereiche 130 (1), 130 (2), 130 (3)bzw. die ersten und zweiten Schmelzbereiche 131 (1), 131 (2) innerhalb kurzer Zeit so stark, dass diese aufschmelzen und die jeweilige Zelle 109, 110, 111, 112, 113 von dem ersten Bereich 101 (1) des Ableiterelements 101 elektrisch abgetrennt wird.
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Diese Trennung erfolgt in serieller Richtung. Eine elektrische Überwachung von Spannungspegeln auf jedem einzelnen Ableiterelement 101 erfolgt durch ein Batteriemanagementsystem über mit diesem verbundene Messleitungen, die pro Ableiterelement an einem seitlichen Ende angeschweißt werden. Die Trennung in serieller Richtung hat wesentliche Vorteile gegenüber einer Auftrennung in paralleler Richtung gemäß dem Stand der Technik, da dies zur Folge hat, dass alle Zellen, die „hinter“ dem abgetrennten Bereich liegen, bezogen auf die Messleitung ebenfalls abgetrennt sind, wodurch deren Zustand nicht mehr durch das Batteriemanagementsystem überwacht werden kann.
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2 zeigt eine erste schematische Detaildarstellung der ersten Ausführungsform des Ableiterelements. Eine elektrochemische Zelle 410 ist mittels eines zweiten Bereichs 401 (2) mit einem Ableiterelement 401 elektrisch kontaktiert. Mittels dritter Bereiche 401 (3a) und 401 (3b) wird das Ableiterelement 401 mit einer Elektrode der Zelle 410 elektromechanisch verbunden, beispielsweise mittels einer durch Widerstandsschweißen hergestellten Verbindung.
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Beim Widerstandsschweißen kann es dazu kommen, dass ein erheblicher Teil eines elektrischen Stroms von der Elektrode der Zelle 410 über das Ableiterelement 401 durch einen zweiten Finger des zweiten Bereichs 401 (2) fließt und von dort wieder über einen ersten Finger des zweiten Bereichs 401 (2) in die Elektrode zurück fließt. Dieser unerwünschte elektrische Stromfluss ist in 2 durch das Bezugszeichen 441 dargestellt. Diese nicht vermeidbare Randbedingung muss bei einer Geometrie der Finger des zweiten Bereichs 401 (2) des Ableiterelements 401 berücksichtigt werden, so dass angrenzende Schmelzbereiche aufgrund einer Erwärmung bzw. eines Hitzeeintrags mit einer verringerten Stromtragfähigkeit nicht beschädigt werden.
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In der gezeigten Ausführungsform ist eine Länge 442 der Finger, beispielsweise zwischen 3 und 10 Millimetern, des zweiten Bereichs 401 (2) derart gewählt, dass ein elektrischer Widerstand derart eingestellt wird, dass ein beim Widerstandsschweißen fließender elektrischer Strom 440 im Wesentlichen vollständig von dem dritten Bereich 401 (3b) des zweiten Fingers des zweiten Bereichs 401 (2) über die Elektrode der Zelle 410 zu dem dritten Bereich 401 (3a) des ersten Fingers des zweiten Bereichs 401 (2) des Ableiterelements 401 fließt.
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Eine weitere Erhöhung des elektrischen Widerstands des ersten und des zweiten Fingers des zweiten Bereichs 401 (2) des Ableiterelements 401 kann durch eine geeignete Wahl von Geometrien 443 und 445 werden, wodurch ein unerwünschter Stromfluss 441 weiter verringert wird und Beschädigen durch Widerstandschweißen während eines Herstellungsverfahren im Wesentlichen ausgeschlossen werden.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ableiterelements in Form eines Zellverbinders 501 für elektrochemische Zellen. Mittels des Zellverbinders 501 können fünfzehn Zellen parallel miteinander elektrisch verschaltet werden, welche eine sogenannte Reihe bilden, sowie zwei dieser Reihen in Serien verschaltet werden.
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Der Zellverbinder 501 umfasst einen ersten Bereich 501 (1), zweite Bereiche 501 (2), wobei die zweiten Bereiche 501 (2) erste Finger 501 (2a) und zweite Finger 501 (2b) umfassen. Ferner umfassen die ersten Finger 501 (2a) erste dritte Bereiche 501 (3a) und die zweiten Finger 501 (2b) zweite dritte Bereiche 501 (3b).
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Elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem ersten Bereich 501 (1) und den zweiten Bereichen 501 (2) umfassen eine Mehrzahl von elektrisch nicht leitenden Unterbrechungen, beispielsweise in Form von Aussparungen 532a, 532b, wodurch vorteilhafterweise erfindungsgemäße Schmelzbereiche 530a, 530b, 530c bzw. 530d, 530e geformt werden.
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Die drei Schmelzbereiche 530a, 530b, 530c bzw. die zwei Schmelzbereiche 530d, 530e sind in der gezeigten Ausführungsform vorteilhafterweise 0,5 mm bzw. 0,75 mm breit. Der Zellverbinder 501 weist eine Materialstärke von im Wesentlichen 0,3 mm auf. Dadurch ergibt sich eine gesamte Querschnittsfläche von 0,45 mm2 sowohl für die drei Schmelzbereiche 530a, 530b, 530c, als auch für die zwei Schmelzbereiche 530d, 530e.
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Der in 3 gezeigte Zellverbinder 501 ist beispielsweise durch Walzen eines elektrisch leitfähigen Rohlings, Stanzen des gewalzten Rohlings und anschließendem Biegen hergestellt.
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Wird der Zellverbinder 501 in einem elektrischen Energiespeichersystem verwendet, so führt ein Kurzschlussfall in elektrochemischen Zellen dazu, dass die Schmelzbereiche 530a, 530b, 530c des Zellverbinders 501 bei den entsprechenden Zellen schnell auf Temperaturen oberhalb einer Schmelztemperatur des Materials erhitzt werden. Die Schmelzbereiche 530a, 530b, 530c werden in der Praxis von unterschiedlich großen Strömen durchflossen, was vorteilhafterweise einen kaskadischen Effekt zur Folge hat.
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Bei drei Schmelzbereichen 530a, 530b, 530c bedeutet dies, dass zunächst ein Schmelzbereich der Schmelzbereiche 530a, 530b, 530c aufschmilzt, wodurch sich der Strom auf die verbleibenden Schmelzbereiche verteilt. In der Praxis fließt durch einen der beiden Stege ein höherer Strom als durch den anderen Schmelzbereich, so dass wiederum zunächst einer der beiden Schmelzbereiche aufschmilzt. Somit fließt der vollständige Strom nach einer gewissen Zeitspanne nur noch durch einen der drei Schmelzbereiche 530a, 530b, 530c wodurch dieser ebenfalls aufschmilzt. Dadurch sind ist die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bereich 501 (1) und zweiten Bereich 501 (2) elektrisch getrennt. Durch die Schmelzbereiche sind gegenüber dem Stand der Technik schnelle Auslösezeiten zu erreichen, insbesondere unterhalb von 5 Sekunden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufschmelzverhaltens der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ableiterelements. Ein Ableiterelement 601 umfasst einen ersten Bereich 601 (1), der mit zweiten Bereichen 601 (2) elektrisch leitend verbunden ist, wobei die elektrisch leitende Verbindung zumindest teilweise elektrisch nicht leitend unterbrochen ist, beispielsweise durch Aussparungen 632a, 632b. Durch Schmelzbereiche 630a, 630b, 630c ist eine Stromtragfähigkeit der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich 601 (1) und dem zweiten Bereich 601 (2) verringert, so dass mittels der elektrischen Verbindung in Form eines Stegs eine Schmelzsicherung gebildet wird. Die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bereich 601 (1) und einem der zweiten Bereich 601 (2) wird bei einem Überschreiten eines Schwellenwerts des zwischen dem ersten Bereich 601 (1) und dem zweiten Bereich 601 (2) fließenden Stroms unterbrochen. Die Unterbrechung der elektrischen Verbindung erfolgt im Fehlerfall durch ein Aufschmelzen der Schmelzbereiche 630a, 630b, 630c der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten 601 (1) Bereich und dem zweiten Bereich 601 (2) eigenständig. Vor Zeitpunkt t0 ist das Ableiterelement 601 in einem Normalbetrieb, bei dem ein typischer elektrischer Nennstrom über alle Schmelzbereiche 603a, 630b, 630c fließen kann.
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Aufgrund eines Fehlers der Zelle zum Zeitpunkt t0, beispielsweise bei einem Kurzschluss der Zelle, erwärmt sich diese und der zweite Bereich 601(2) des Ableiterelements 601 in kurzer Zeit stark und durch den oberhalb des Nennstroms fließenden abnormen elektrischen Stroms schmilzt der erste Schmelzbereich 630c zu einem Zeitpunkt t1 auf.
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Ab dem Zeitpunkt t1 fließt daher der abnorme Strom nur noch durch die Schmelzbereiche 630a und 630b. Aufgrund des geringeren Querschnitts des Schmelzbereichs 630b im Vergleich zu dem Schmelzbereich 630a schmilzt der Schmelzbereich 630b zu einem Zeitpunkt t2 auf, wobei insbesondere zu erwarten ist, dass eine Differenz der Zeitspannen t2 und t1 kleiner als eine Differenz der Zeitspannen t1 und t0 ist.
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Ab dem Zeitpunkt t2 fließt der komplette abnorme Strom nun durch den Schmelzbereich 630a, der zu einem Zeitpunkt t3 aufschmilzt, wobei insbesondere zu erwarten ist, dass eine Differenz der Zeitspannen t3 und t2 kleiner als eine Differenz der Zeitspannen t2 und t1 ist.
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Ab dem Zeitpunkt t3 ist die Zelle von dem Ableiterelement 601 irreversibel getrennt, wodurch ein sicherer Zustand erreicht wird und eine Propagation aufgrund der Erwärmung durch die Entladeströme auf andere Zellen zuverlässig verhindert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2823520 A1 [0002]
- CN 105047497 [0003]
