DE102017218912A1 - Elektrisches Überbrückungselement, Energiespeicher und Vorrichtung - Google Patents

Elektrisches Überbrückungselement, Energiespeicher und Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Überbrückungselement (1) aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (7, 8), eine Reaktionsfolie (3), eine Lotschicht (2), eine Isolierschicht (4), die die elektrischen Leiter (7, 8) elektrisch voneinander isoliert, und ein Aktivierungsmittel zur Aktivierung der Reaktionsfolie (3), wobei die Reaktionsfolie (3), die Isolierschicht (4) und die Lotschicht (2) derart zwischen den elektrischen Leitern (7, 8) angeordnet sind, dass die Reaktionsfolie (4) bei einer exothermen Reaktion die Lotschicht (2) aufschmilzt und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (7, 8) hergestellt wird, wobei das Aktivierungselement ein Kontaktierungselement (7) und einen Aktuator (6) aufweist, wobei der Aktuator (6) eingerichtet ist, das Kontaktierungselement (7) zur Aktivierung der Reaktionsfolie (3) in Kontakt mit der Reaktionsfolie (3) zu bringen.

Description

  • Feld der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Überbrückungselement, einen Energiespeicher und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Stand der Technik
  • EP 2 642 582 B1 zeigt ein elektrisches Überbrückungselement, insbesondere zur Überbrückung von defekten Speicherzellen eines Energiespeichers. Dabei ist zwischen zwei elektrischen Leitern eine Schichtfolge mit einer elektrischen Isolationsschicht und einem reaktiven Schichtstapel angeordnet, der mittels einer exothermen Reaktion die Isolationsschicht auflösen und somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern herstellen kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Überbrückungselement aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter, eine Reaktionsfolie, eine Lotschicht, eine Isolierschicht, die die elektrischen Leiter elektrisch voneinander isoliert, und ein Aktivierungsmittel zur Aktivierung der Reaktionsfolie, wobei die Reaktionsfolie, die Isolierschicht und die Lotschicht derart zwischen den elektrischen Leitern angeordnet sind, dass die Reaktionsfolie bei einer exothermen Reaktion die Lotschicht aufschmilzt und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern hergestellt wird.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Aktivierungselement ein Kontaktierungselement und einen Aktuator aufweist, wobei der Aktuator eingerichtet ist, das Kontaktierungselement zur Aktivierung der Reaktionsfolie in Kontakt mit der Reaktionsfolie zu bringen.
  • Hintergrund der Erfindung ist, ein sicheres elektrisches Überbrückungselement bereitzustellen, das über seine gesamte Lebensdauer zuverlässig auslöst. Dabei ist es von Vorteil, dass das Kontaktierungselement vor dem Auslösen des elektrischen Überbrückungselementes von der Reaktionsfolie beabstandet ist. Der Abstand zwischen dem Kontaktierungselement und der Reaktionsfolie ist in etwa gleich groß wie die Dicke der Isolierschicht, insbesondere beträgt der Abstand mindestens 20 µm. Zum Auslösen des elektrischen Überbrückungselementes wird das Kontaktierungselement dann mittels des Aktuators in Kontakt mit der Reaktionsfolie gebracht und löst diese aus. Somit ist Kontaktkorrosion und/oder Kriechen des Lotmaterials vermeidbar, da das Kontaktierungselement erst zum Auslösen der Reaktionsfolie mit dieser in Kontakt gebracht wird.
  • Vorteilhafterweise ist das Aktivierungselement eingerichtet, das Kontaktierungsmittel auszulenken, so dass das Kontaktierungsmittel die Reaktionsfolie kontaktiert.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktuator eingerichtet, das Kontaktierungselement zur Aktivierung der Reaktionsfolie in mechanischen Kontakt mit der Reaktionsfolie zu bringen. Dabei wird die Reaktionsfolie durch den Aufprall des Kontaktierungselementes auf der Reaktionsfolie aktiviert. Hierbei ist vorteilhafterweise keine zusätzliche Spannungsquelle oder Wärmequelle zur Aktivierung der Reaktionsfolie notwendig.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Aktuator eingerichtet, das Kontaktierungselement zur Aktivierung der Reaktionsfolie in elektrisch leitenden Kontakt mit der Reaktionsfolie zu bringen, wobei zwischen dem Kontaktierungselement und der Reaktionsfolie eine elektrische Spannung anliegt. Von Vorteil ist dabei, dass sobald das Kontaktierungselement mit der Reaktionsfolie in Kontakt kommt, ein Stromkreis geschlossen wird und ein resultierender Strompuls die Reaktionsfolie aktiviert.
  • Ferner ist es von Vorteil, wenn der Aktuator einen Elektromagneten und/oder einen Permanentmagneten aufweist. Mittels des Elektromagneten und/oder Permanentmagneten ist der Aktuator antreibbar. Beispielsweise weist der Aktuator eine Spule oder Leiterschleife auf, die, wenn sie bestromt wird, von dem Magneten angezogen oder abgestoßen wird.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Aktuator ein Bimetall auf. Mittels des Bimetalls ist der Aktuator antreibbar.
  • Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Kontaktierungselement und/oder der Aktuator ein Federelement aufweist. Dadurch ist ein gleichmäßiger Anpressdruck des Kontaktierungselementes auf der Reaktionsfolie ermöglicht.
  • Vorteilhafterweise ist der Aktuator mit einer Steuerung verbunden, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den Aktuator zu aktivieren. Somit ist das elektrische Überbrückungselement von der Steuerung gezielt auslösbar.
  • Ferner ist es von Vorteil, wenn das Aktivierungselement eine Spule aufweist, wobei das Kontaktierungsmittel mit der Spule mechanisch gekoppelt ist, insbesondere wobei das Kontaktierungsmittel und die Spule elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind. Somit ist das Kontaktierungselement mittels der Spule auslenkbar.
  • Vorteilhafterweise weist das Aktivierungselement einen Verbindungsabschnitt auf, wobei der Verbindungsabschnitt das Kontaktierungsmittel und den zweiten elektrischen Leiter elektrisch leitend miteinander verbindet. Mittels des Verbindungsabschnitts ist ein Stromkreis herstellbar, der von dem Kontaktierungselement zum Aktivieren der Reaktionsfolie kurzgeschlossen wird.
  • Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Kontaktierungsmittel und/oder die Spule und/oder der Verbindungsabschnitt als metallisches Stanzbiegeteil ausgeführt ist. Dabei sind das Kontaktierungsmittel und/oder die Spule und/oder der Verbindungsabschnitt aus einem einzigen Werkstück und/oder in einem einzigen Arbeitsschritt fertigbar.
  • Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher aufweisend zumindest eine Energiespeicherzelle und zumindest ein elektrisches Überbrückungselement wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Überbrückungselement bezogenen Ansprüche, besteht darin, dass das elektrische Überbrückungselement parallel geschaltet zu zumindest einer Energiespeicherzelle des elektrischen Energiespeichers angeordnet ist.
  • Hintergrund der Erfindung ist, dass die Energiespeicherzelle in einer Gefahrensituation mittels des Überbrückungselements kurzgeschlossen wird. Dadurch wird der Separator in der Zelle aufgeschmolzen und ein Überhitzen der Energiespeicherzelle zum Beispiel durch einen Kurzschluss oder einen kritischen Ladezustand ist vermeidbar.
  • Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung und/oder dem Fahrzeug besteht darin, dass die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug einen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach dem auf den Energiespeicher bezogenen Anspruch aufweist.
  • Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels des Überbrückungselementes der Energiespeicher in kritischen Fahrzeugsituationen und/oder kritischen Energiespeicherzuständen kurzgeschlossen wird. Beispielsweise ist das Überbrückungselement mittelbar oder unmittelbar mit Fahrzeugsensoren verbunden, die eine kritische Fahrzeugsituation detektieren, das Überbrückungselement auslösen und so den Energiespeicher in einen sicheren Zustand bringen können.
  • Figurenliste
  • Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1
    • und
    • 2 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße elektrische Überbrückungselement 1.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den 1 und 2 ist das erfindungsgemäße elektrische Überbrückungselement 1 dargestellt.
  • Das elektrische Überbrückungselement 1 weist einen ersten elektrischen Leiter 7 und einen zweiten elektrischen Leiter 8, die jeweils eine Lotschicht 2 aufweisen, eine Reaktionsfolie 3, eine elektrisch isolierende Isolierschicht 4, insbesondere Isolierfolie, und ein Aktivierungselement, auf.
  • Die Lotschichten 2, die Reaktionsfolie 3 und die Isolierschicht 4 sind stapelförmig, insbesondere als Schichtstapel, zwischen den elektrischen Leitern (7, 8) angeordnet.
  • Die Schichtdicke der jeweiligen Lotschicht 2 beträgt 5 µm bis 400 µm, vorzugsweise 10 µm bis 200 µm.
  • Vorzugsweise sind die Schichtdicken der Lotschichten 2 identisch. Vorteilhafterweise sind die jeweiligen Lotschichten 2 in einem Arbeitsschritt auf den ersten beziehungsweise zweiten Leiter (7, 8) aufbringbar. Vorzugsweise weisen die Lotschichten 2 zinnhaltige Lotmaterialien auf.
  • Die Schichtdicke der Isolierschicht 4 beträgt zwischen 20µm und 200 µm.
  • Zwischen der auf dem zweiten elektrischen Leiter 8 angeordneten Lotschicht 2 und der Isolierschicht 4 ist die Reaktionsfolie 3 angeordnet. Die Reaktionsfolie 3 ist mittels des Aktivierungselements aktivierbar, um eine exotherme Reaktion zum Aufschmelzen der Lotschicht 2 auszulösen.
  • Die Reaktionsfolie 3 ist beispielsweise ein reaktiver Schichtstapel, der eine Vielzahl von Nanoschichten aufweist, wobei die Nanoschichten eine Schichtdicke von 1 nm bis 500 nm aufweisen. Der reaktive Schichtstapel weist alternierend angeordnete Nanoschichten auf, wie sie beispielsweise in der WO 01/83182 beschrieben sind.
  • Das Aktivierungselement weist ein Kontaktierungselement 7 zur Aktivierung der Reaktionsfolie 3, einen Aktuator 6, der eingerichtet ist, das Kontaktierungselement 7 zur Aktivierung der Reaktionsfolie 3 in mechanischen und/oder elektrisch leitenden Kontakt mit der Reaktionsfolie 3 zu bringen, und einen Verbindungsabschnitt 12 zur elektrisch leitenden Verbindung des Kontaktierungselementes 7 mit dem zweiten elektrischen Leiter 8 auf.
  • Zwischen dem Kontaktierungselement 7 und der Reaktionsfolie 3 liegt eine elektrische Spannung an. Sobald das Kontaktierungselement 7 in elektrischen Kontakt mit der Reaktionsfolie 3 gebracht wird, fließt ein Strom, der die Reaktionsfolie 3 aktiviert.
  • Der Aktuator 6 weist eine Spule 13, die beispielsweise als eine Schlaufe ausgeführt ist, und einen Magneten, insbesondere Elektromagneten oder Permanentmagneten, auf. Sobald ein Strom durch die Spule 13 fließt wird diese relativ zu dem Magneten ausgelenkt. Vorzugsweise ist der Magnet in einem nicht dargestellten Deckelteil angeordnet.
  • Das Kontaktierungselement 7 ist mit der Spule 13 mechanisch gekoppelt. Dazu ist ein elektrisch isolierendes Verbindungselement 14 zwischen dem Kontaktierungselement 7 und der Spule 13 angeordnet.
  • Das Kontaktierungselement 7 wird also zusammen mit der Spule 13 ausgelenkt, wenn diese bestromt wird. Vorzugsweise werden die Spule 13 und das Kontaktierungselement 7 derart ausgelenkt, dass das Kontaktierungselement 7 in elektrischen Kontakt mit der Reaktionsfolie 3 gebracht wird.
  • Das elektrische Überbrückungselement weist weiterhin eine Spannungsquelle und ein Schaltelement, insbesondere einen MOSFET-Schalter, auf. Das Kontaktierungselement 7 und der zweite elektrische Leiter 8 sind elektrisch leitend mit der Spannungsquelle verbunden. Die Spule 13 ist elektrisch leitend mit der Spannungsquelle verbindbar, wobei zwischen der Spule 13 und der Spannungsquelle das Schaltelement angeordnet ist.
  • Vorzugsweise ist das Kontaktierungselement 7 und/oder die Spule 13 und/oder der Verbindungsabschnitt 12 als Stanzbiegeteil ausgeführt, insbesondere als Stanzbiegeblechteil.
  • Das Kontaktierungselement 7 und/oder die Spule 13 und/oder der Verbindungsabschnitt 12 sind zumindest teilweise in einem elektrisch isolierenden Aufnahmemittel 11, insbesondere einer Vergussmasse, aufgenommen. Mit dem Aufnahmemittel 11 ist eine Steuerung 10 verbunden, die das Schaltelement und/oder die Spannungsquelle steuert. Vorzugsweise sind das Schaltelement, die Spannungsquelle und die Steuerung 10 einem einzigen Gehäuse angeordnet.
  • In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Schaltelement und/oder die Spannungsquelle von einer externen Steuerung gesteuert.
  • In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Reaktionsfolie 3 mittels eines mechanischen Aufpralls des Kontaktierungselementes 7 auf der Reaktionsfolie 3 aktivierbar.
  • Die beschriebene Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1 für einen Energiespeicher ist in der Fahrzeugtechnik und auch in stationären Anwendungen wie der Energietechnik, insbesondere Solarenergietechnik und/oder Windenergietechnik und/oder Wasserenergietechnik, möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2642582 B1 [0002]
    • WO 0183182 [0030]

Claims (12)

  1. Elektrisches Überbrückungselement (1) aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (7, 8), eine Reaktionsfolie (3), eine Lotschicht (2), eine Isolierschicht (4), die die elektrischen Leiter (7, 8) elektrisch voneinander isoliert, und ein Aktivierungsmittel zur Aktivierung der Reaktionsfolie (3), wobei die Reaktionsfolie (3), die Isolierschicht (4) und die Lotschicht (2) derart zwischen den elektrischen Leitern (7, 8) angeordnet sind, dass die Reaktionsfolie (4) bei einer exothermen Reaktion die Lotschicht (2) aufschmilzt und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (7, 8) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungselement ein Kontaktierungselement (7) und einen Aktuator (6) aufweist, wobei der Aktuator (6) eingerichtet ist, das Kontaktierungselement (7) zur Aktivierung der Reaktionsfolie (3) in Kontakt mit der Reaktionsfolie (3) zu bringen.
  2. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) eingerichtet ist, das Kontaktierungselement (7) zur Aktivierung der Reaktionsfolie (3) in mechanischen Kontakt mit der Reaktionsfolie (3) zu bringen.
  3. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) eingerichtet ist, das Kontaktierungselement (7) zur Aktivierung der Reaktionsfolie (3) in elektrisch leitenden Kontakt mit der Reaktionsfolie (3) zu bringen, wobei zwischen dem Kontaktierungselement (7) und der Reaktionsfolie (3) eine elektrische Spannung anliegt.
  4. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) einen Elektromagneten (13) und/oder einen Permanentmagneten aufweist.
  5. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) ein Bimetall aufweist.
  6. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungselement (5) und/oder der Aktuator (6) ein Federelement aufweist.
  7. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (6) mit einer Steuerung (10) verbunden ist, wobei die Steuerung (10) eingerichtet ist, den Aktuator (6) zu aktivieren.
  8. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungselement eine Spule (13) aufweist, wobei das Kontaktierungsmittel (5) mit der Spule (13) mechanisch gekoppelt ist, insbesondere wobei das Kontaktierungsmittel (5) und die Spule (13) elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind.
  9. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungselement einen Verbindungsabschnitt (12) aufweist, wobei der Verbindungsabschnitt (12) das Kontaktierungsmittel (5) und den zweiten elektrischen Leiter (8) elektrisch leitend miteinander verbindet.
  10. Elektrisches Überbrückungselement (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungsmittel (5) und/oder die Spule (13) und/oder der Verbindungsabschnitt (12) als metallisches Stanzbiegeteil ausgeführt ist.
  11. Elektrischer Energiespeicher aufweisend zumindest eine Energiespeicherzelle und zumindest ein elektrisches Überbrückungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Überbrückungselement (1) parallel geschaltet zu zumindest einer Energiespeicherzelle des Energiespeichers angeordnet ist.
  12. Vorrichtung und/oder Fahrzeug aufweisend zumindest einen Energiespeicher nach Anspruch 11.
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