DE102018007666A1

DE102018007666A1 - Komprimierbarer, flächiger Druckschalter, Batterie-Zellmodul mit wenigstens einem solchen Druckschalter, wiederaufladbare Batterie mit wenigstens einem solchen Batterie-Zellmodul und Verfahren zum Betreiben eines solchen Batterie-Zellmoduls oder einer solchen Batterie

Info

Publication number: DE102018007666A1
Application number: DE102018007666.1A
Authority: DE
Inventors: Carsten Krupp
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen komprimierbaren, flächigen Druckschalter (1), mit einer Vorder- (3) und einer Rückseite (5) sowie wenigstens einer Seitenfläche (7), wobei der Körper des komprimierbaren, flächigen Druckschalters (1) aus einem porösen Material ausgebildet ist, und der Körper des Druckschalters (1) wenigstens eine Kontaktplatte (9), die auf oder in der Vorderseite (3), und wenigstens eine Kontaktplatte (11), die auf oder in der Rückseite (5) des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters (1) angeordnet ist, aufweist, wobei die jeweiligen zwei Kontaktplatten (9, 11) einander gegenüberliegend angeordnet sind und wobei eine der jeweiligen Kontaktplatten (9) eine dornartige oder längliche Erhebung (13) mit spitz zulaufendem, distalem Ende aufweist, die in Richtung der anderen Kontaktplatte (11) weist. Bei einer alternativen Ausführungsform weisen beide einander gegenüberliegende Kontaktplatten (9, 11), jeweils eine oder mehrere der vorgenannten dornartige oder längliche Erhebung 13 mit spitz zulaufendem, distalem Ende auf, die jeweils in Richtung der anderen Kontaktplatte 9, 11 weist bzw. weisen.
Die Erfindung betrifft weiter ein Batterie-Zellmodul mit dem komprimierbaren, flächigen Druckschalter (1), eine wiederaufladbare Batterie mit dem Batterie-Zellmodul sowie ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batterie-Zellmoduls oder einer erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie.

Description

Die Erfindung betrifft einen komprimierbaren, flächigen Druckschalter, ein Batterie-Zellmodul mit wenigstens einem solchen Druckschalter, eine wiederaufladbare Batterie mit wenigstens einem solchen Batterie-Zellmodul und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Batterie-Zellmoduls oder einer solchen Batterie.
Bei derzeit rein elektromotorisch oder auch elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen, wie bspw. batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugen, seriellen Hybridfahrzeugen, parallelen Hybridfahrzeugen, Mischhybridfahrzeugen, Brennstoffzellen-Fahrzeugen, etc. ist regelmäßig ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher vorhanden, bei dem es sich um einen wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicher handeln kann. Es sind verschiedene Arten an wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeichern bekannt, wie etwa die verschiedenen Arten von Sekundärbatterien (Akkumulatoren) und die sog. Superkondensatoren.
Unter anderem aufgrund der aktuell realisierbaren volumetrischen und gravimetrischen Energiedichten kommen derzeit im Bereich der elektromotorisch und auch elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge ganz überwiegend Sekundärbatterien auf Lithium-Ionen-Basis als wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicher (Traktionsbatterien) zum Einsatz.
Bei derartigen Traktionsbatterien werden eine Mehrzahl an wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen (bspw. in Form von sog. „Pouchzellen“), die seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind, in einen Modulrahmen eingebracht und zusammen mit weiteren Komponenten (wie etwa Sensoren, Messeinrichtungen, etc.) zu einem Modul verbaut. Hierbei werden die wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen üblicherweise zusammengepresst, so dass diese einem Druck ausgesetzt sind. Eine Traktionsbatterie kann ein oder mehrere derartiger Module und weitere Komponenten (wie etwa eine Elektronik zur Überwachung der Batteriezellen, Temperiereinrichtungen, etc.) aufweisen.
Eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezelle enthält bekanntermaßen wenigstens eine negative Elektrode (Anode) und eine positive Elektrode (Kathode), die mittels eines für Lithium-Ionen durchlässigen Separators voneinander getrennt sind. Die wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezelle weist weiter einen Elektrolyten auf, der, sofern es sich um einen konventionellen Elektrolyten handelt, bei den für den Betrieb der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie vorgesehenen Temperaturen flüssig ist. Jede der Elektroden ist mit wenigstens einem sog. Stromsammler verbunden, der durch die Wandung des hermetisch gegen die Umwelt abgeschlossenen Batteriezellen-Gehäuses reicht und zur elektrischen Kontaktierung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezelle dient.
Die derzeit erhältlichen, wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen zeigen über ihre Lebensdauer hinweg eine Dickenzunahme (= Volumenzunahme), wodurch der Druck im Batterie-Zellmodul steigt, da das Batterie-Zellmodul durch einen feste Modulrahmen oder ein festes Modul-Gehäuse begrenzt ist. Auch bei Auflade- und Entladevorgängen kommt es regelmäßig zu einer Volumenzunahme der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen. Ein zu hoher Druck in einem Batterie-Zellmodul und damit auch in den Lithium-Ionen-Batteriezellen des Batterie-Zellmoduls führt jedoch zu einer rascheren Alterung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen, was im Hinblick auf deren Lebensdauer unerwünscht ist. Auch besteht die Gefahr, dass aufgrund des erhöhten, durch die wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgeübten Drucks der Modulrahmen aufgesprengt wird.
Zur Überwindung dieser Nachteile ist es aus dem Stand der Technik bekannt, sog. „Spannmatten“ zu verwenden, mit denen die Ausdehnung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen kompensiert und mit denen ein moderater Druck gewährleistet werden kann. So offenbart etwa die DE 10 2014 019 001 A1 ein Zellmodul für eine Kraftfahrzeugbatterie mit einer Mehrzahl von seriell und/oder parallel miteinander verschalteten Batteriezellen und mit komprimierbaren Druckelementen, die dazu vorgesehen sind, zu einem Ausgleich einer Volumenzunahme der Batteriezellen während eines Ladens und Entladens der Batteriezellen komprimiert zu werden, wobei die Druckelemente, die zwischen zwei Batteriezellen angeordnet sind, eine andere Komprimierbarkeit aufweisen als die Druckelemente, die an einem Zellmodulende angeordnet sind. Des Weiteren offenbart die DE 10 2014 019 001 A1 eine Kraftfahrzeugbatterie mit einem solchen Zellmodul.
Weiter ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen oder mehrere Schalter in einem Batteriezellen-Modul vorzusehen, mit dem/denen die Ausdehnung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen detektiert werden kann. Die wiederaufladbaren Lithiumlonen-Batteriezellen, das Batterie-Zellmodul oder die gesamte Batterie werden dann basierend auf einem vorgegebenen bzw. vorgebbaren Maß an Ausdehnung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen abgeschaltet.
Ein entsprechender Schalter ist bspw. aus der CN 107768758 A bekannt. Der Schalter ist derart ausgestaltet, dass bei einem erhöhten Druck im Inneren einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ein in einer Öffnung des Gehäuses der Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgesehenes, elektrisch leitfähiges, mit einem konvexen Teil versehenes Kontaktelement nach außen gedrückt wird, und - sobald ein ausreichend hoher Druck im Inneren der Lithium-Ionen-Batteriezelle erreicht ist - das elektrisch leitfähige Kontaktelement mit seinem konvexen Teil in Kontakt kommt mit einem bei der Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgesehenen elektrischen Leiter, der gegen das Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle elektrisch isoliert ist und dessen in Richtung der Außenseite des Gehäuses der Lithium-Ionen-Batteriezelle weisendes Ende ein wenig außerhalb des Gehäuses der Lithium-Ionen-Batteriezelle endet. Bei einem Kontakt zwischen Kontaktelement und elektrischem Leiter kann ein Alarmsignal ausgelöst und gegebenenfalls die Lithium-Ionen-Batteriezelle bzw. die Lithium-Ionen-Batterie abgeschaltet werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik verbesserte Lösung bereit zu stellen, mit der auf einfache und zuverlässige Weise sowohl eine Ausdehnung von wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen (wiederaufladbaren Batteriezellen) kompensiert als auch eine sichere und zuverlässige Abschaltung von wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen, eines Batterie-Zellmoduls oder einer Batterie mit den wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen erreicht werden kann, wenn die Ausdehnung von wenigstens einer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Zellmoduls oder der Batterie ein vorgebbares Ausmaß erreicht oder überschritten hat.
Diese Aufgaben werden gelöst durch den komprimierbaren, flächigen Druckschalter gemäß Anspruch 1, das Batterie-Zellmodul gemäß Anspruch 7, die wiederaufladbare Batterie gemäß Anspruch 8 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird ein komprimierbarer, flächiger (d.h. plattenartiger) Druckschalter vorgeschlagen, der eine Vorder- und eine Rückseite sowie wenigstens eine Seitenfläche aufweist und der dazu vorgesehen ist, zu einem Ausgleich einer Volumenzunahme einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle während eines Ladens oder Entladens der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle, oder einer mit zunehmender Lebensdauer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle eintretenden Volumenzunahme komprimiert zu werden.
Der erfindungsgemäße komprimierbare, flächige Druckschalter ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Druckschalters aus einem porösen (d.h. aus einem eine Vielzahl an Hohlräumen aufweisenden) Material ausgebildet ist, und der Körper des Druckschalters wenigstens eine Kontaktplatte, die auf oder in der Vorderseite, und wenigstens eine Kontaktplatte, die auf oder in der Rückseite des Körpers des Druckschalters angeordnet ist, aufweist, wobei die jeweiligen zwei Kontaktplatten (bei einem senkrechten Blick auf die Vorder- oder Rückseite) im Wesentlichen einander gegenüberliegend angeordnet sind und wobei eine der jeweiligen Kontaktplatten eine dornartige oder längliche Erhebung mit spitz zulaufendem, distalem Ende aufweist, die in Richtung der anderen Kontaktplatte weist.
Alternativ dazu können auch beide einander gegenüberliegende Kontaktplatten, jeweils eine oder mehrere der vorgenannten dornartige oder längliche Erhebung mit spitz zulaufendem, distalem Ende aufweisen, die jeweils in Richtung der anderen Kontaktplatte weist bzw. weisen.
Durch den erfindungsgemäßen Druckschalter lässt sich - wie nachfolgend insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert wird - auf einfache Weise eine Volumenzunahme einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle detektieren bzw. man kann den erfindungsgemäßen Druckschalter als kraftdetektierende, plattenartige Vorrichtung verwenden. Insbesondere bei Batterie-Zellmodulen und Batterien, die wiederaufladbare, elektrochemische Energiespeicherzellen, insbesondere solchen auf Lithium-Ionen-Basis, enthalten, kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen, komprimierbaren, flächigen Druckschalters das Auftreten eines vorher festgelegten Ausmaßes an Volumenausdehnung von wenigstens einer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen festgestellt werden und können ab dem Auftreten des vorher festgelegten Ausmaßes an Volumenausdehnung geeignete Maßnahmen ergriffen werden, wie bspw. das Abschalten einzelner Batterie-Zellen, das Abschalten des Batterie-Zellmoduls mit der betreffenden Batterie-Zelle oder das Abschalten der gesamten Batterie.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckschalters ist/sind die Kontaktplatte(n) ohne dornartige oder längliche Erhebung aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, und ist/sind die Kontaktplatte(n) mit der wenigstens einen dornartigen oder länglichen Erhebung aus einem elektrisch leitfähigen oder elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckschalters ist das Material des Körpers des komprimierbaren flächigen Druckschalters aus einem keramischen Schaummaterial ausgebildet.
Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckschalters ist das Material des Körpers des komprimierbaren flächigen Druckschalters aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material ausgebildet.
Sind, was von der vorliegenden Erfindung ebenfalls in vorteilhafter Weise umfasst ist, der Körper des komprimierbaren flächigen Druckschalters aus einem elektrisch leitfähigen Material und die Kontaktplatten aus einem davon (strukturell und/oder chemisch) verschiedenen elektrisch leitfähigen Material ausgebildet, so ist vorgesehen, dass die jeweiligen (d.h. die einander jeweils gegenüber angeordneten) Kontaktplatten bis zu einem vorgebbaren Ausmaß an Komprimierung des Körpers des komprimierbaren flächigen Druckschalters gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des komprimierbaren, flächigen Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung kann/können

- die Kontaktplatte(n) ohne dornartige oder längliche Erhebung an zwei, bevorzugt einander im Wesentlichen gegenüberliegenden Rändern mit jeweils einem elektrischen Leiter elektrisch leitfähig verbunden sein,
- die Kontaktplatte(n) mit wenigstens einer dornartigen oder länglichen Erhebung aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein, wobei die zur jeweils anderen Kontaktplatte weisenden Fläche dieser Kontaktplatte(n) eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist, oder die Kontaktplatte(n) mit wenigstens einer dornartigen oder länglichen Erhebung aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet sein, wobei
- der komprimierbare, flächige Druckschalter derart ausgestaltet ist, dass ab einem vorgebbaren Grad an Komprimierung des Körpers des flächigen Druckschalters wenigstens eine Kontaktplatte ohne dornartige oder längliche Erhebung durch die dornartige oder längliche Erhebung der jeweiligen anderen Kontaktplatte durchtrennt oder durchbrochen wird, so dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrischen Leitern dieser Kontaktplatte unterbrochen wird.

Weiter von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch ein Batterie-Zellmodul mit einer Mehrzahl an seriell und/oder parallel miteinander verschalteten wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen. Das Batterie-Zellmodul ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen und/oder zwischen einer Wandung oder eines Rahmens des Batterie-Zellmoduls und wenigstens einer dazu benachbarten wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle ein erfindungsgemäßer, komprimierbarer, flächiger Druckschalter oder ein in vorteilhafter Weise weitergebildeter komprimierbarer, flächiger Druckschalter angeordnet ist, wobei die wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen bevorzugt solche auf Lithium-Ionen-Basis sind.
Ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst ist eine wiederaufladbare Batterie auf Lithium-Ionen-Basis mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Batterie-Zellmodul.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batterie-Zellmoduls oder einer erfindungsgemäßen, wiederaufladbaren Batterie. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einem durch Volumenzunahme von wenigstens einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle des Batterie-Zellmoduls während eines Ladens oder Entladens der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls oder einer mit zunehmender Lebensdauer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls auftretenden Volumenzunahme von wenigstens einer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls wenigstens ein erfindungsgemäßer, komprimierbarer, flächiger Druckschalter oder ein in vorteilhafter Weise weitergebildeter Druckschalter derart komprimiert wird, dass ein elektrischer Kontakt von dem Dorn oder der länglichen Erhebung von wenigstens einer Kontaktplatte mit der gegenüberliegend angeordneten anderen Kontaktplatte ausgebildet wird oder die andere Kontaktplatte durch den Dorn oder die längliche Erhebung der einen Kontaktplatte durchtrennt oder durchbrochen wird, woraufhin aufgrund der Ausbildung des elektrischen Kontakts zwischen den beiden Kontaktplatten oder der Durchtrennung oder Durchbrechung der anderen Kontaktplatte und der damit einhergehenden Unterbrechung der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den zwei, mit der anderen Kontaktplatte elektrisch leitfähig verbundenen elektrischen Leitern das betroffene Zellmodul oder die Batterie mit dem Batterie-Zellmodul abgeschaltet wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine dreidimensionale, schematische, nicht maßstabsgerechte Ansicht eines flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische, nicht maßstabsgerechte Schnittansicht senkrecht zur Vorder- und Rückseite eines flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein erstes Beispiel einer möglichen Ausgestaltung eines flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem elektrisch leitfähigen Körper;
4 ein zweites Beispiel einer möglichen Ausgestaltung eines flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem elektrisch leitfähigen Körper;
5 ein drittes Beispiel einer möglichen Ausgestaltung eines flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem elektrisch leitfähigen Körper;
6 ein Diagramm zur Darstellung eines beispielhaften Kompressionsverlaufs des flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von einem auf den flächigen, komprimierbaren Druckschalter ausgeübten Druck;
7 ein erstes Beispiel einer möglichen Ausgestaltung eines flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem ab einem vorgebbaren Grad an Komprimierung des Körpers des flächigen Druckschalters eine Kontaktplatte ohne dornartige oder längliche Erhebung durch die wenigstens eine dornartige oder längliche Erhebung der anderen Kontaktplatte durchtrennt oder durchbrochen wird;
8 ein zweites Beispiel einer möglichen Ausgestaltung eines flächigen, komprimierbaren Druckschalters gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem ab einem vorgebbaren Grad an Komprimierung des Körpers des flächigen Druckschalters die Kontaktplatte ohne dornartige oder längliche Erhebung durch die wenigstens eine dornartige oder längliche Erhebung der anderen Kontaktplatte durchtrennt oder durchbrochen wird.

In den Figuren sind gleiche Elemente und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt rein schematisch und nicht maßstabsgerecht ein Beispiel eines komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 mit einer Vorder- 3 und einer Rückseite 5 sowie wenigstens einer Seitenfläche 7 (bei dem in 1 dargestellten rechteckigen Beispiel sind insgesamt 4 Seitenflächen 7 vorhanden).
Des Weiteren weist der Druckschalter 1 eine erste Kontaktplatte 9 auf, die auf oder in der Vorderseite 3 des Druckschalters 1 angeordnet (bspw. form-, kraft- oder stoffschlüssig mit der Vorderseite 3 verbunden; eingesteckt, eingeklebt, eingeklipst, eingeschraubt, etc.) ist, sowie eine zweite Kontaktplatte 11, die auf oder in der Rückseite 5 des Druckschalters 1 angeordnet (bspw. form-, kraft- oder stoffschlüssig mit der Rückseite 5 verbunden; eingesteckt, eingeklebt, eingeklipst, eingeschraubt, etc.) ist. Eine der Kontaktplatten 9 weist eine dornartige oder längliche Erhebung 13 mit spitz (d.h. unter einem Winkel kleiner 90°, bevorzugt unter einem Winkel von gleich oder kleiner 45°, noch bevorzugter unter einem Winkel von gleich oder kleiner 20°) zulaufendem, distalem (d.h. freiem) Ende auf (das bspw. in Art einer Messerklinge ausgebildet sein kann), die in Richtung der anderen Kontaktplatte 11 weist.
Alternativ dazu können auch beide einander gegenüberliegende Kontaktplatten 9, 11, jeweils eine oder mehrere der vorgenannten dornartige oder längliche Erhebung 13 mit spitz zulaufendem, distalem Ende aufweisen, die jeweils in Richtung der anderen Kontaktplatte 9, 11 weist bzw. weisen.
Wie für einen Fachmann selbstverständlich ohne weiteres erkennbar ist, sind die Bezeichnungen Vorderseite 3 und Rückseite 5 hier lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung gewählt und es können die beiden Seiten 3, 5 auch genau anders herum oder auch als Ober- und Unterseite bzw. als Unter- und Oberseite bezeichnet werden. Auch ist es selbstverständlich nicht zwingend, dass die Kontaktplatte 9 mit der dornartigen oder länglichen Erhebung 13 mit spitz zulaufendem, distalem Ende auf oder in der Vorderseite 3 des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 angeordnet ist und die weitere Kontaktplatte 11 auf der Rückseite 5; die Anordnung der beiden Kontaktplatten 9, 11 kann selbstverständlich auch genau anders herum gewählt sein.
Auch brauchen die Kontaktplatten 9 und 11 nicht eine quadratische, rechteckige oder viereckige Fläche aufzuweisen, sondern können bspw. auch rund, oval oder eine beliebige andere Flächengestaltung aufweisen (bspw. 3-, 5- 6-, 7-, 8-eckig). Auch kann die Größe der Kontaktplatten 9, 11 praktisch beliebig gewählt sein, so dass die Kontaktplatten 9, 11 bspw. auch so groß sein können, wie die gesamte Vorder- 3 und Rückseite 5. Auch kann die Größe der Fläche der (mehreren) Kontaktplatten 9, 11 unterschiedlich gewählt sein.
Um den Druck in verschiedenen Bereichen zu detektieren, können auch mehrere gegenüberliegende Kontaktplatten 9, 11 in oder auf der Vorder- 3 und Rückseite 5 des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 verbaut sein. Die Kontaktplatten 9, 11 können auch über die gesamte Vorder- 3 und Rückseite 5 des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 verteilt angeordnet sein. Auch kann bei einer Mehrzahl an einander gegenüber angeordneten Paaren von Kontaktplatten 9, 11, die jeweiligen Kontaktplatten 9, 11 sowohl auf der Vorder- 3 als auch auf der Rückseite 5 des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 angeordnet sein, wobei dann die jeweils andere der Kontaktplatten 9, 11 auf oder in der jeweils anderen Oberfläche des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 angeordnet ist.
Wie in den 1 bis 7 angedeutet ist, sind die Kontaktplatte 9 und die Kontaktplatte 11 bei verschiedenen Ausgestaltungen des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 mit einem elektrischen Leiter 15, 17 elektrisch leitfähig verbunden. Bei den entsprechenden Ausgestaltungen ist/sind die Kontaktplatte(n) 9, 11, die mit einem elektrischen Leiter 15, 17 elektrisch leitfähig verbunden ist/sind, zumindest in dem vorgesehenen Kontaktbereich zwischen Spitze des Dorns 13 oder der länglichen Erhebung 13 der einen Kontaktplatte 9 und der anderen Kontaktplatte 11 selbst auch elektrisch leitfähig ausgebildet, sind bspw. aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet oder damit überzogen.
Der Körper des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 ist aus einem porösen Material ausgebildet, wobei das poröse Material sowohl elastische als auch hart-spröde Eigenschaften aufweisen kann. Bei einem elastischen Material kann der Druckschalter 1 bei einer Abnahme der Volumenzunahme der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen (der wiederaufladbaren Batteriezellen) wieder in die ursprüngliche oder annähernd die ursprüngliche Form zurückkehren und so eine Positionsverschiebung der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen innerhalb des Batterie-Zellmoduls vermeiden helfen.
Auf der anderen Seite kann es für einen Dorn 13 oder eine längliche Erhebung 13 mit einem spitz zulaufenden distalen Ende 13 schwierig sein, bei einem Erreichen oder Überschreiten eines vorgegebenen Grads an Komprimierung des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 ein elastischen Material zu durchdringen und so einen Kontakt zu der anderen Kontaktplatte 11 herzustellen. Dieses Problem kann jedoch durch eine konstruktive Maßnahme, wie etwa eine gemäß 5 überwunden werden.
Wenn das Material des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 ein hartporöses Material ist, wie bspw. ein keramisches Schaummaterial, wird die poröse Struktur mit zunehmendem Druck zerstört, wodurch sich die Vorder- 3 und Rückseite 5 des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 einander annähern, bis sich schließlich die durch die jeweiligen Kontaktplatten 9, 11 ausgebildeten Kontakte schließen. Der Schließzeitpunkt kann über das Verhältnis der Länge des Dorns 13 bzw. der Höhe der länglichen Erhebung 13 der einen Kontaktplatte 9 zur Dicke des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 und gegebenenfalls auch durch die Materialeigenschaften des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 beeinflusst werden. Unter der Annahme einer vorgegebenen Dicke des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 kann bspw. durch einen längeren Dorn 13 ein „früheres“ Schließen der Kontakte erreicht werden, d.h. ein Schließen der Kontakte bei einem geringeren Komprimierungsgrad des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1, als bei einem kürzeren Dorn 13.
Das poröse Material kann sowohl aus einem elektrisch leitfähigen als auch aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen. Bei einem elektrisch leitfähigen Material muss zusätzlich eine Schicht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material 21 vorgesehen sein, die durch den Dorn 13 oder die längliche Erhebung 13 durchstochen bzw. durchtrennt wird. Derartige elektrisch nicht leitfähige Materialien 21, bspw. in Form von elektrisch nicht leitfähigen Polymeren oder Keramiken, sind Fachleuten bekannt. Alternativ kann in dem Material des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 auch eine Aussparung 23 vorgesehen sein, und die Kontakte bis auf den Dorn 13 bzw. die längliche Erhebung 13 und der Gegenbereich mit einer Schicht eines elektrisch nicht leitfähigen Materials (Isolierschicht) 21 versehen sein. Entsprechende Ausgestaltungen sind in den 3 bis 5 dargestellt. Die Ausgestaltung gemäß 5 kann in vorteilhafter Weise auch bei einem elastischen Material des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 vorgesehen sein, da hierbei kein Durchdringen des Materials 19 durch den Dorn 13 bzw. die längliche Erhebung 13 erforderlich ist. Von der Schicht aus elektrisch isolierendem Material 21 kann abgesehen werden kann, wenn das elastische poröse Material des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 nicht elektrisch leitfähig ist.
6 zeigt ein beispielhaftes Diagramm zur Darstellung eines beispielhaften Kompressionsverlaufs des flächigen, komprimierbaren Druckschalters 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von einem auf den flächigen, komprimierbaren Druckschalter 1 ausgeübten Druck. Das hart-poröse Material des Körpers des flächigen, komprimierbaren Druckschalters 1 ist in 6 in Form von kugelförmigen Elementen angedeutet. Bei den in 6 schematisch dargestellten komprimierbaren, flächigen Druckschaltern 1 wurde der Übersichtlichkeit halber auf das Anbringen von Bezugszeichen verzichtet.
Wie den 7 und 8 entnommen werden kann, kann der komprimierbare, flächige Druckschalter 1 auch derart aufgebaut sein, dass der Schalter 1 in einem nicht oder nur wenig komprimierten Zustand des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 geschlossen ist, und ab einem vorgebbaren hohen Druck geöffnet wird.
Um diese Ausführungsform des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1 auszubilden kann/können, wie in den 7 und 8 angedeutet ist,

- die Kontaktplatte(n) 11 ohne dornartige oder längliche Erhebung an zwei, bevorzugt einander im Wesentlichen gegenüberliegenden Rändern mit jeweils einem elektrischen Leiter 15, 17 elektrisch leitfähig verbunden sein,
- die Kontaktplatte(n) 9 mit wenigstens einer dornartigen oder länglichen Erhebung 13 aus einem elektrisch leitfähigen Material 19 ausgebildet sein, wobei jedenfalls die zur anderen Kontaktplatte 11 weisenden Fläche dieser Kontaktplatte(n) 9 eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material 21 aufweist, oder die Kontaktplatte(n) 9 mit wenigstens einer dornartigen oder länglichen Erhebung 13 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material (das in 8 mittels Schrägstrichen angedeutet ist) ausgebildet sein, wobei
- der komprimierbare, flächige Druckschalter 1 derart ausgestaltet ist, dass ab einem vorgebbaren Kompressionsgrad des Körpers des flächigen Druckschalters 1 wenigstens eine Kontaktplatte 11 ohne dornartige oder längliche Erhebung durch die dornartige oder längliche Erhebung 13 der jeweiligen anderen Kontaktplatte 9 durchtrennt oder durchbrochen wird, so dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrischen Leitern 15, 17 unterbrochen wird.

Wie weiter oben bereits angegeben ist, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Batterie-Zellmodul mit einer Mehrzahl an seriell und/oder parallel miteinander verschalteten wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen, wobei das Batterie-Zellmodul dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen wenigstens zwei der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen und/oder zwischen einer Wandung oder einen Rahmen des Batterie-Zellmoduls und wenigstens einer dazu benachbarten wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle ein erfindungsgemäßer, komprimierbarer, flächiger Druckschalter 1 oder einer seiner vorteilhaften Weiterbildungen oder Ausgestaltungen angeordnet ist, wobei die wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen bevorzugt solche auf Lithium-Ionen-Basis sind.
Des Weiteren ist von der vorliegenden Erfindung auch eine wiederaufladbare Batterie umfasst, bevorzugt eine wiederaufladbare Batterie auf Lithium-Ionen-Basis, ebenfalls bevorzugt in Form einer Kraftfahrzeugbatterie oder Traktionsbatterie für ein zumindest auch elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug (Kraftfahrzeug) mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Batterie-Zellmodul.
Von der vorliegenden Erfindung umfasst sind auch alle Verfahren, die sich für einen Fachmann aus der Beschreibung des komprimierbaren, flächigen Druckschalters 1, des erfindungsgemäßen Batterie-Zellmoduls oder der erfindungsgemäßen Batterie ohne weiteres ergeben.
Insbesondere ist von der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batterie-Zellmoduls oder einer erfindungsgemäßen, wiederaufladbaren Batterie umfasst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

- bei einem durch Volumenzunahme von wenigstens einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle des Batterie-Zellmoduls während eines Ladens oder Entladens der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls oder einer mit zunehmender Lebensdauer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls auftretenden Volumenzunahme von wenigstens einer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls wenigstens ein komprimierbarer, flächiger Druckschalter 1 derart komprimiert wird, dass ein elektrischer Kontakt von dem Dorn 13 oder der länglichen Erhebung 13 von wenigstens einer Kontaktplatte 9 mit der gegenüberliegend angeordneten anderen Kontaktplatte 11 ausgebildet wird, oder die andere Kontaktplatte 11 durch den Dorn 13 oder die längliche Erhebung 13 der einen Kontaktplatte 9 durchtrennt oder durchbrochen wird, woraufhin aufgrund der Ausbildung des elektrischen Kontakts zwischen den beiden Kontaktplatten 9, 11 oder der Durchtrennung oder Durchbrechung der anderen Kontaktplatte 11 und der damit einhergehenden Unterbrechung der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den zwei, mit der anderen Kontaktplatte 11 elektrisch leitfähig verbundenen elektrischen Leitern 15, 17 das betroffene Batterie-Zellmodul oder die Batterie mit dem betroffenen Batterie-Zellmodul abgeschaltet wird.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Einrichtungen sind Fachleuten bekannt, so dass in dieser Anmeldung hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht. Entsprechendes gilt für die weiteren in der vorliegenden Anmeldung genannten Vorrichtungen, Einrichtungen und Elemente.
Bezugszeichenliste

1: komprimierbarer, flächiger Druckschalter
3: Vorderseite
5: Rückseite
7: Seitenfläche
9: erste Kontaktplatte
11: zweite Kontaktplatte
13: dornartige oder längliche Erhebung
15: erster elektrischer Leiter
17: zweiter elektrischer Leiter
19: elektrisch leitfähiges Material
21: elektrisch isolierende Schicht
23: Aussparung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014019001 A1 [0007]
CN 107768758 A [0009]

Claims

Komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1), mit einer Vorder- (3) und einer Rückseite (5) sowie wenigstens einer Seitenfläche (7), der dazu vorgesehen ist, zu einem Ausgleich einer Volumenzunahme einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle während eines Ladens oder Entladens der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle, oder einer mit zunehmender Lebensdauer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle eintretenden Volumenzunahme komprimiert zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des komprimierbaren, flächigen Druckschalters (1) aus einem porösen Material ausgebildet ist, und der Körper des Druckschalters (1) wenigstens eine Kontaktplatte (9), die auf oder in der Vorderseite (3), und wenigstens eine Kontaktplatte (11), die auf oder in der Rückseite (5) des Körpers des komprimierbaren, flächigen Druckschalters (1) angeordnet ist, aufweist, wobei die jeweiligen zwei Kontaktplatten (9, 11) einander gegenüberliegend angeordnet sind und wobei mindestens eine der jeweiligen Kontaktplatten (9, 11) eine dornartige oder längliche Erhebung (13) mit spitz zulaufendem, distalem Ende aufweist, die in Richtung der gegenüberliegenden Kontaktplatte (9, 11) weist.
Komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatte(n) (9, 11) ohne dornartige oder längliche Erhebung aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist/sind, und die Kontaktplatte(n) (9, 11) mit der wenigstens einen dornartigen oder länglichen Erhebung (13) aus einem elektrisch leitfähigen oder elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet ist/sind.
Komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Körpers des flächigen Druckschalters (1) aus einem keramischen Schaummaterial ausgebildet ist.
Komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Körpers des flächigen Druckschalters (1) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet ist.
Komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des komprimierbaren flächigen Druckschalters (1) aus einem elektrisch leitfähigen Material (19) ausgebildet ist, die jeweiligen Kontaktplatten (9, 11) aus einem davon verschiedenen, elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sind, und die jeweiligen Kontaktplatten (9, 11) bis zu einem vorgebbaren Kompressionsgrad des Körpers des flächigen Druckschalters (1) gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kontaktplatte(n) (11) ohne dornartige oder längliche Erhebung an zwei, bevorzugt einander im Wesentlichen gegenüberliegenden Rändern mit jeweils einem elektrischen Leiter (15, 17) elektrisch leitfähig verbunden ist/sind, - die Kontaktplatte(n) (9) mit wenigstens einer dornartigen oder länglichen Erhebung (13) aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist/sind, wobei jedenfalls die zur anderen Kontaktplatte (11) weisenden Fläche dieser Kontaktplatte(n) (9) eine Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material (21) aufweist, oder die Kontaktplatte(n) (9) mit wenigstens einer dornartigen oder länglichen Erhebung (13) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material ausgebildet ist, wobei - dar komprimierbare, flächige Druckschalter (1) derart ausgestaltet ist, dass ab einem vorgebbaren Kompressionsgrad des Körpers des flächigen Druckschalters (1) wenigstens eine Kontaktplatte (11) ohne dornartige oder längliche Erhebung durch die dornartige oder längliche Erhebung (13) der jeweiligen anderen Kontaktplatte (9) durchtrennt oder durchbrochen wird, so dass die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (15, 17) unterbrochen wird.
Batterie-Zellmodul mit einer Mehrzahl an seriell und/oder parallel miteinander verschalteter wiederaufladbarer, elektrochemischer Energiespeicherzellen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens zwei der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen und/oder zwischen einer Wandung oder einem Rahmen des Batterie-Zellmoduls und wenigstens einer dazu benachbarten wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle ein komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet ist, wobei die wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen bevorzugt solche auf Lithium-Ionen-Basis sind.
Wiederaufladbare Batterie, bevorzugt eine wiederaufladbare Batterie auf Lithium-Ionen-Basis mit wenigstens einem Batterie-Zellmodul gemäß Anspruch 7.
Verfahren zum Betreiben eines Batterie-Zellmoduls gemäß Anspruch 7 oder einer wiederaufladbaren Batterie gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem durch Volumenzunahme von wenigstens einer wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzelle des Batterie-Zellmoduls während eines Ladens oder Entladens der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls oder einer mit zunehmender Lebensdauer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls auftretenden Volumenzunahme von wenigstens einer der wiederaufladbaren, elektrochemischen Energiespeicherzellen des Batterie-Zellmoduls wenigstens ein komprimierbarer, flächiger Druckschalter (1) derart komprimiert wird, dass ein elektrischer Kontakt von dem Dorn (13) oder der länglichen Erhebung (13) von wenigstens einer Kontaktplatte (9, 11) mit der gegenüberliegend angeordneten anderen Kontaktplatte (9, 11) ausgebildet wird, oder die andere Kontaktplatte (11) durch den Dorn (13) oder die längliche Erhebung (13) der einen Kontaktplatte (9) durchtrennt oder durchbrochen wird, woraufhin aufgrund der Ausbildung des elektrischen Kontakts zwischen den beiden Kontaktplatten (9, 11) oder der Durchtrennung oder Durchbrechung der anderen Kontaktplatte (11) und der damit einhergehenden Unterbrechung der elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den zwei, mit der anderen Kontaktplatte (11) elektrisch leitfähig verbundenen elektrischen Leitern (15, 17) das betroffene Batterie-Zellmodul oder die Batterie mit dem betroffenen Batterie-Zellmodul abgeschaltet wird.