DE102020112852A1

DE102020112852A1 - Elektrochemische Zelle mit einer Schutzvorrichtung zum Unterbrechen eines elektrischen Leistungspfades und Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Leistungspfades durch eine elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE102020112852A1
Application number: DE102020112852.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas STRÄUßL; Tim Miller
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Um eine elektrochemische Zelle, umfassend eine Schutzvorrichtung zum Unterbrechen eines durch die elektrochemische Zelle führenden elektrischen Leistungspfades im Falle eines irregulären Betriebszustandes, wobei die Schutzvorrichtung eine Kontakteinrichtung, die von einem geschlossenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad geschlossen ist, in einen offenen Zustand, in welchem der Leistungspfad unterbrochen ist, überführbar ist, umfasst, zu schaffen, deren Schutzvorrichtung den Leistungspfad im Falle eines irregulären Betriebszustandes zuverlässig unterbricht und eine hohe Energiespeicherkapazität aufweisen kann, wird vorgeschlagen, dass die Schutzvorrichtung ein Unterbrechungselement, das von einer Ruhestellung, in welcher der Leistungspfad nicht unterbrochen ist, in eine Arbeitsstellung, in welcher der Leistungspfad unterbrochen ist, überführbar ist, ein Zurückhalteelement, das das Unterbrechungselement in der Ruhestellung zurückhält und durch Erwärmung deaktivierbar ist, ein Federelement, das eine Überführung des Unterbrechungselements von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung antreibt, wenn das Zurückhalteelement deaktiviert ist, und eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Zurückhalteelements im Falle eines irregulären Betriebszustandes umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, die eine Schutzvorrichtung zum Unterbrechen eines durch die elektrochemische Zelle führenden elektrischen Leistungspfades im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle umfasst. Dabei umfasst die Schutzvorrichtung eine im Leistungspfad angeordnete Kontakteinrichtung, die von einem geschlossenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad geschlossen ist, in einen offenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad unterbrochen ist, überführbar ist.
Die elektrochemische Zelle kann insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet sein. Solche Lithium-Ionen-Batteriezellen haben zur stark ansteigenden Verbreitung von elektrochemischen Zellen in mobilen Anwendungen beigetragen, beispielsweise im Bereich von Elektrofahrzeugen. Für solche mobilen Anwendungen oder auch für stationäre Anwendungen im Bereich der Netzunterstützung werden leistungsfähige Speichersysteme mit hoher Speicherkapazität benötigt. Diese lassen sich in wirtschaftlicher Weise vor allem mit elektrochemischen Zellen erreichen, die große prismatische Zellgehäuse aufweisen, da diese eine dichtere Packung und somit eine Reduktion der Anzahl der elektrochemischen Zellen gegenüber elektrochemischen Zellen mit zylindrischen Zellgehäusen ermöglichen.
Da von Lithium-Ionen-Zellen allgemein höhere Gefahren ausgehen als von alternativen Akkusystemen, wie beispielsweise Blei-Säure-Akkumulatoren oder Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, ist ein umfassender Schutz dieser elektrochemischen Zellen nicht nur auf der Ebene des Gesamtsystems, sondern auch auf der Ebene der einzelnen elektrochemischen Zelle erforderlich.
Anzeichen für eine Fehlfunktion einer elektrochemischen Zelle sind insbesondere das Auftreten einer Überspannung, ein Temperaturanstieg, ein Druckanstieg und/oder eine Überschreitung des zulässigen Maximalstroms durch die elektrochemische Zelle.
Bekannte Schutzvorrichtungen für elektrochemische Zellen umfassen beispielsweise ein Umschnappelement oder „Springelement“ (CID, „Current Interrupt Device“), welches als ein Druckschalter wirkt und den Stromfluss zwischen einem elektrochemischen Element im Inneren der elektrochemischen Zelle und einem Zellterminal der elektrochemischen Zelle unterbricht, wenn ein vorgegebener Innendruck im Gehäuse der elektrochemischen Zelle überschritten wird.
Ferner ist es bekannt, in der Leitung zwischen dem elektrochemischen Element im Inneren der elektrochemischen Zelle und einem Zellterminal der elektrochemischen Zelle einen Kaltleiter (PTC) vorzusehen, um den Strom durch die elektrochemische Zelle bei höheren Temperaturen zu reduzieren.
Ferner sind Überdrucksicherungen bekannt, welche bei Überschreiten eines vorgegebenen Innendrucks im Gehäuse der elektrochemischen Zelle eine Öffnung im Gehäuse freigeben und so ein unkontrolliertes Bersten des Gehäuses der elektrochemischen Zelle verhindern.
Insbesondere für große elektrochemische Zellen sind Schutzvorrichtungen bekannt, welche eine in die elektrochemische Zelle integrierte Schmelzsicherung zum Schutz vor einer Überschreitung des zulässigen Maximalstroms aufweisen. Solche Schutzvorrichtungen umfassen ferner einen Druckschalter, der einen Kurzschluss in der elektrochemischen Zelle hervorruft, wenn der Innendruck in dem Gehäuse der elektrochemischen Zelle einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet, wodurch ein sehr hoher Stromfluss durch die elektrochemische Zelle hervorgerufen wird. Durch diesen hohen Stromfluss wird die Schmelzsicherung ausgelöst, wodurch die elektrochemische Zelle elektrisch von ihren Anschlüssen getrennt wird.
Der Einsatz von Kaltleitern (PTC) zur Begrenzung des Stromflusses ist bei großen elektrochemischen Zellen problematisch, weil der verbleibende Restwiderstand aktuell verfügbarer Kaltleiter immer noch so hoch ist, dass bei dem in einer großen elektrochemischen Zelle auftretenden hohen Stromfluss eine sehr starke Erwärmung des Kaltleiters hervorgerufen werden würde, wodurch der Kaltleiter sich im regulären Betrieb der elektrochemischen Zelle selbst auslösen würde.
Ein Umschnappelement bekannter Bauart kann in einer großen elektrochemischen Zelle nicht verwendet werden, da die bei kleinen elektrochemischen Zelle verwendeten Querschnitte und filigranen Schweißverbindungen für die bei großen elektrochemischen Zellen auftretenden Ströme nicht ausreichend dimensioniert sind und eine einfache Vergrößerung der Umschnappelemente nicht möglich ist, weil dann zur Auslösung der Umschnappelemente ein deutlich höherer Innendruck im Gehäuse der elektrochemischen Zelle benötigt werden würde. Die kritische Grenze für den Innendruck liegt bei großen elektrochemischen Zellen aber in der gleichen Größenordnung wie bei kleineren elektrochemischen Zellen und kann aufgrund der größeren Zelloberflächen sogar noch niedriger liegen.
Bei bekannten Schutzvorrichtungen für große elektrochemische Zellen ist die Schmelzsicherung als eine Materialschwächung einer Elektrode ausgebildet, wobei ein sehr hoher Strom (in der Größenordnung von ungefähr 2.000 A) benötigt wird, um die Schmelzsicherung auszulösen. Dabei entsteht durch den erhöhten elektrischen Widerstand an der Engstelle der Schmelzsicherung lokal eine so hohe Temperatur, dass das metallische Material der Elektrode, beispielsweise Aluminium, schmilzt und eine Unterbrechung des Leistungspfades erzeugt wird. So hohe Temperaturen innerhalb der elektrochemischen Zelle stellen jedoch in Verbindung mit dem Elektrolyten und möglicherweise bereits freigesetzten Gasen ein Risiko dar.
Die aktuelle Restladung der elektrochemische Zelle ist nach der Unterbrechung des Leistungspfades nicht mehr zu ermitteln, so dass nicht mehr bestimmt werden kann, ob es sich um eine fast voll geladene und damit sehr gefährliche oder um eine bereits weitgehend entladene elektrochemische Zelle handelt.
Wenn die elektrochemische Zelle weitgehend entladen ist, kann die in der elektrochemischen Zelle enthaltene Energie nicht mehr ausreichend sein, um die integrierte Schmelzsicherung auszulösen. Da der Kurzschluss aber irreversibel eingeleitet wird, befindet sich dann eine kurzgeschlossene elektrochemische Zelle im System, die nicht von ihren Anschlüssen getrennt ist, was ein hohes Gefahrenpotential darstellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zelle der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Schutzvorrichtung den elektrischen Leistungspfad durch die elektrochemische Zelle im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle zuverlässig unterbricht und eine hohe Energiespeicherkapazität aufweisen kann.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Zelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schutzvorrichtung
ein Unterbrechungselement, das von einer Ruhestellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad nicht unterbrochen ist, in eine Arbeitsstellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad unterbrochen ist, überführbar ist,
ein Zurückhalteelement, das das Unterbrechungselement in der Ruhestellung zurückhält und durch Erwärmen deaktivierbar ist,
ein Federelement, das eine Überführung des Unterbrechungselements von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung antreibt, wenn das Zurückhalteelement deaktiviert ist, und
eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Zurückhalteelements im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Konzept zugrunde, den Leistungspfad durch die elektrochemische Zelle im Falle eines irregulären Betriebszustandes dadurch zu unterbrechen, dass ein Unterbrechungselement mittels eines Federelements von einer Ruhestellung in eine Arbeitsstellung überführt wird, wobei das Unterbrechungselement im regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle durch ein Zurückhalteelement in seiner Ruhestellung zurückgehalten wird und das Zurückhalteelement im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle durch Erwärmung mittels einer Heizvorrichtung deaktiviert wird.
Dabei wird die Heizvorrichtung vorzugsweise durch einen geeigneten Aktivator im Falle des Auftretens eines irregulären Betriebszustandes aktiviert.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzvorrichtung einen Aktivator zum Aktivieren der Heizvorrichtung im Falle einer Überschreitung einer Druckschwelle in der elektrochemischen Zelle, insbesondere innerhalb eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle, umfasst.
Ein solcher Aktivator kann beispielsweise ein Umschnappelement umfassen.
Das Zurückhalteelement umfasst vorzugsweise ein, insbesondere niedrigschmelzendes, Kunststoffmaterial und/oder ein, insbesondere niedrigschmelzendes, metallisches Material.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Zurückhalteelement im Wesentlichen vollständig aus einem solchen Kunststoffmaterial und/oder aus einem solchen metallischen Material gebildet ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der elektrochemischen Zelle ist vorgesehen, dass das Zurückhalteelement ein thermoplastisches Kunststoffmaterial umfasst.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Zurückhalteelement im Wesentlichen vollständig aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist.
Die Heizvorrichtung kann unmittelbar mit dem Zurückhalteelement in Kontakt stehen.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung von dem Zurückhalteelement beabstandet ist.
Das Zurückhalteelement kann durch Formschluss, Stoffschluss und/oder Kraftschluss mit dem Unterbrechungselement gekoppelt sein, um dieses im regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle in seiner Ruhestellung zurückzuhalten.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Zurückhalteelement einstückig mit dem Unterbrechungselement ausgebildet ist.
Beispielsweise kann das Zurückhalteelement als ein an dem Unterbrechungselement ausgebildeter Vorsprung ausgebildet sein, welcher nach seinem Aufschmelzen eine Überführung des Unterbrechungselements von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung freigibt.
Das Unterbrechungselement kann einen Abschnitt des durch die Kontakteinrichtung führenden Leistungspfades umfassen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Unterbrechungselement ein bewegliches Steckerteil umfasst, welches im regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle einen Bestandteil des durch die Kontakteinrichtung führenden Leistungspfades bildet und im Falle eines irregulären Betriebszustandes aus dem Leistungspfad heraus bewegt wird.
Bei großen elektrochemischen Zellen mit hohem Leistungsstrom müssen die stromführenden Leitungen jedoch einen großen Querschnitt haben, was dazu führt, dass sowohl das bewegliche Steckerteil als auch die mit dem beweglichen Steckerteil verbundenen stromführenden Leitungen einen großen Querschnitt aufweisen müssen. Dies schränkt die Beweglichkeit der stromführenden Leitungen ein und macht diese unflexibel, auch wenn Litzen verwendet werden. Außerdem muss für die Bewegung des beweglichen Steckerteils ein ausreichender Bauraum zur Verfügung stehen. Mit zunehmender Größe steigen auch die Kräfte, die erforderlich sind, um das bewegliche Steckerteil von einem stationären Steckerteil zu trennen und in die Arbeitsstellung zu bewegen, in welcher der Leistungspfad unterbrochen ist. Außerdem besteht das Problem eines möglichen Verkantens des beweglichen Steckerteils während der Bewegung, was eine vollständige Abtrennung des beweglichen Steckerteils von einem stationären Steckerteil und somit ein vollständiges Unterbrechen des Leistungspfads verhindern kann.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Unterbrechungselement einen elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt umfasst. Ein solcher elektrisch isolierender Isolationsabschnitt kann insbesondere zwischen Kontaktelemente der Kontakteinrichtung bewegt werden, um diese elektrisch voneinander zu trennen und somit den Leistungspfad durch die Kontakteinrichtung zu unterbrechen.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Unterbrechungselement mindestens einen im Wesentlichen keilförmigen Unterbrechungsabschnitt umfasst.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Unterbrechungselement zwei oder mehr im Wesentlichen keilförmige Unterbrechungsabschnitte umfasst.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontakteinrichtung in ihrem offenen Zustand, in welchem der Leistungspfad durch die Kontakteinrichtung unterbrochen ist, einen Entladungspfad schließt, durch welchen die elektrochemische Zelle entladbar ist.
In einem solchen Entladungspfad kann insbesondere ein Kaltleiter (PTC) angeordnet sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kontakteinrichtung in ihrem offenen Zustand, in welchem der Leistungspfad durch die Kontakteinrichtung unterbrochen ist, einen Entladungspfad schließt, welcher von einem elektrochemischen Element im Innenraum der elektrochemischen Zelle zu einem Zellterminal der elektrochemischen Zelle und/oder zu einem Gehäuse der elektrochemischen Zelle führt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Kontakteinrichtung in ihrem offenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad unterbrochen ist, einen externen Strompfad schließt, welcher zu einem außerhalb eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle angeordneten Kontaktpunkt führt und durch welchen die elektrochemische Zelle entladbar ist.
Über einen solchen außerhalb des Gehäuses der elektrochemischen Zelle angeordneten Kontaktpunkt ist die in der elektrochemischen Zelle noch erhaltene Ladungsmenge ermittelbar.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist die elektrochemische Zelle über einen solchen außerhalb des Gehäuses der elektrochemischen Zelle angeordneten Kontaktpunkt mittels einer externen Entladungsvorrichtung entladbar.
Eine besondere Ausgestaltung der Schutzvorrichtung ist so ausgebildet, dass eine Energiezufuhr der Heizvorrichtung unterbrochen wird, wenn das Unterbrechungselement von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung überführt wird, so dass keine weitere Erwärmung durch die Heizvorrichtung erfolgt.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Schutzvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Energiezufuhr der Heizvorrichtung nicht unterbrochen wird, wenn das Unterbrechungselement von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung überführt wird, und die elektrochemische Zelle über ein Heizelement der Heizvorrichtung kontrolliert entladen wird.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle kann einen Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung bilden, welche mehrere elektrochemische Zellen umfasst, die jeweils ein elektrochemisches Element, beispielsweise einen Zellwickel, enthalten und in einer Schaltungsanordnung, welche eine Reihenschaltung und/oder eine Parallelschaltung umfasst, miteinander verknüpft sind, wobei mindestens einer der elektrochemischen Zellen eine Schaltvorrichtung zugeordnet ist, mittels welcher das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle von der Schaltungsanordnung abtrennbar ist.
Dabei kann die Schaltvorrichtung der betreffenden elektrochemischen Zelle insbesondere so ausgebildet sein wie die vorstehend beschriebene Schutzvorrichtung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, bevorzugt in einer der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 7.
Eine solche elektrochemische Vorrichtung ermöglicht es, fehlerhafte Komponenten, insbesondere fehlerhafte elektrochemische Zellen, von den übrigen Komponenten der elektrochemischen Vorrichtung, insbesondere von den übrigen elektrochemischen Zellen, zu separieren und die fehlerhafte Komponente in einen ungefährlichen Zustand, insbesondere in einen vollständig entladenen Zustand, zu überführen, so dass die elektrochemische Vorrichtung im Falle eines irregulären Betriebszustands einer fehlerhaften Komponente, insbesondere einer fehlerhaften elektrochemischen Zelle, länger genutzt werden kann.
Elektrochemische Vorrichtungen, welche beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen als elektrochemische Zellen umfassen, enthalten große Energiemengen, was im Fall von Beschädigungen ein erhebliches Gefahrenpotential birgt.
Um dieses Gefahrenpotential zu reduzieren, existieren zahlreiche Varianten von Sicherheitseinrichtungen. Dabei wird im Allgemeinen die unmittelbar von einer defekten elektrochemischen Zelle ausgehende Gefahr dadurch gemindert, dass das elektrochemische Element der Zelle von den Terminals derselben durch ein mechanisch bewegliches Element oder durch eine Schmelzsicherung getrennt wird.
Durch eine Sicherheitsvorrichtung, welche lediglich eine defekte elektrochemische Zelle abschaltet, können jedoch ebenfalls Gefahren entstehen. So kann durch eine auslösende Sicherheitsvorrichtung die komplette Stromversorgung durch die elektrochemische Vorrichtung unterbrochen werden. Wenn die elektrochemische Vorrichtung der Energieversorgung eines Elektrofahrzeugs, insbesondere eines Elektroautomobils, dient, so können schlagartig der Antrieb und die Nebenaggregate, wie beispielsweise eine Servolenkung, ausfallen.
Wenn die Schaltungsanordnung, in welcher die elektrochemische Zelle mit anderen elektrochemischen Zellen verknüpft ist, eine - vorzugsweise reine - Reihenschaltung ist, ist es daher günstig, wenn die Schaltvorrichtung von einer Ruhestellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle mit der Schaltungsanordnung verbindet, in eine Arbeitsstellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element von der Schaltungsanordnung abtrennt und zwei Zellterminals unterschiedlicher Polarität der elektrochemischen Zelle miteinander verbindet, überführbar ist.
Durch die Verbindung der beiden Zellterminals unterschiedlicher Polarität der elektrochemischen Zelle bleibt somit ein Strompfad durch die defekte elektrochemische Zelle hindurch erhalten, so dass die elektrochemische Vorrichtung mit leicht verminderter Spannung noch, zumindest kurzzeitig, weiter betrieben und in einen sicheren Zustand versetzt werden kann.
Wenn nach dem Auslösen einer Sicherheitsvorrichtung die im elektrochemischen Element der elektrochemischen Zelle gespeicherte Energie nicht mehr abgebaut werden kann, birgt die elektrochemische Zelle auch lange Zeit über das Auslösen der Sicherheitsvorrichtung hinaus noch ein erhebliches Gefahrenpotential, welches eine Reparatur und/oder ein Recycling der elektrochemischen Vorrichtung erschwert.
Es ist daher günstig, wenn der elektrochemischen Zelle eine Entladungsschaltvorrichtung zugeordnet ist, wobei die Entladungsschaltvorrichtung von einer Ruhestellung, in welcher die Entladungsschaltvorrichtung das elektrochemische Element mit der Schaltungsanordnung verbindet, in eine Arbeitsstellung, in welcher die Entladungsschaltvorrichtung das elektrochemischen Element in einen Entladungskreis schaltet, überführbar ist.
Wenn das elektrochemische Element in einen Entladungskreis geschaltet wird, so kann dem elektrochemischen Element durch eine kontrollierte Entladung, insbesondere über einen strombegrenzenden Widerstand hinweg, die noch im elektrochemischen Element gespeicherte Energie so langsam entzogen werden, dass die dabei entstehende Wärme keine Gefahr für die elektrochemische Zelle darstellt.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schaltvorrichtung und die Entladungsschaltvorrichtung der elektrochemischen Zelle miteinander in Reihe geschaltet sind.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Entladungskreis zumindest einen Bereich eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle umfasst.
In diesem Fall ist es ferner günstig, wenn das Gehäuse der elektrochemischen Zelle elektrisch leitend mit einem der Zellterminals der elektrochemischen Zelle verbunden ist.
Der Entladungskreis umfasst vorzugsweise einen strombegrenzenden Widerstand.
Ein solcher strombegrenzender Widerstand kann beispielsweise als ein Kaltleiter ausgebildet sein, welcher vorzugsweise ein PTC(„Positive Temperature Coefficient“)-Material umfasst.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Kontakt der Entladungsschaltvorrichtung mit einer nur begrenzt elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist und über diesen Kontakt direkt auf das Gehäuse der elektrochemischen Zelle schaltet.
Wenn die Schaltungsanordnung eine Parallelschaltung umfasst, so dass die elektrochemische Zelle, welche die vorstehend beschriebene Schutzvorrichtung als Schaltvorrichtung enthält, zu mindestens einer weiteren elektrochemischen Zelle parallel geschaltet ist, so ist es günstig, wenn die Schaltvorrichtung von einer Ruhestellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle mit der Schaltungsanordnung verbindet, in eine Arbeitsstellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element von der Schaltungsanordnung abtrennt, überführbar ist.
In diesem Fall bleibt auch nach der Überführung der Schaltvorrichtung in die Arbeitsstellung ein Strompfad durch die elektrochemische Vorrichtung hindurch erhalten, nämlich über die mindestens eine parallel zu der elektrochemischen Zelle, welche die Schutzvorrichtung als Schaltvorrichtung enthält, parallel geschaltete elektrochemische Zelle hinweg.
In diesem Fall ist es günstig, wenn die Zellterminals der elektrochemischen Zelle nicht kurzgeschlossen sind, wenn die Schaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befindet.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Schaltvorrichtung in ihrer Arbeitsstellung das elektrochemische Element in einen Entladungskreis schaltet, in welchem das elektrochemische Element der in einen sicheren Zustand geschalteten elektrochemischen Zelle über einen längeren Zeitraum tiefentladen wird.
Ein solcher Entladungskreis kann zumindest einen Bereich eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle umfassen.
In diesem Fall ist vorzugsweise mindestens ein Zellterminal der elektrochemischen Zelle elektrisch leitend mit dem Gehäuse der elektrochemischen Zelle verbunden.
Ein solcher Entladungskreis umfasst vorzugsweise einen strombegrenzenden Widerstand.
Ein solcher Widerstand kann beispielsweise als ein Kaltleiter ausgebildet sein, welcher vorzugsweise ein PTC(„Positive Temperature Coefficient“)-Material umfasst.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Schaltvorrichtung einen Kontakt umfasst, welcher mit einer begrenzt elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist, und über diesen Kontakt direkt auf das Gehäuse der elektrochemischen Zelle geschaltet wird.
Die Schaltvorrichtung ist vorzugsweise durch eine Veränderung eines Drucks im Innenraum eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle und/oder durch eine Änderung einer Temperatur in einem Bereich der elektrochemischen Zelle von einer Ruhestellung in eine Arbeitsstellung überführbar.
Vorzugsweise ist auch nach der Überführung der Schaltvorrichtung von einer Ruhestellung in eine Arbeitsstellung ein Stromfluss durch die Schaltungsanordnung, in der die elektrochemische Zelle, welche die Schutzvorrichtung als Schaltvorrichtung enthält, mit anderen elektrochemischen Zellen verknüpft ist, möglich.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle eignet sich insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens zum Abtrennen eines elektrochemischen Elements einer elektrochemischen Zelle von einer Schaltungsanordnung, in welcher die elektrochemische Zelle mit mindestens einer anderen elektrochemischen Zelle verknüpft ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

- Überführen einer Schaltvorrichtung, welche der elektrochemischen Zelle zugeordnet ist und vorzugsweise so wie eine der vorstehend beschriebenen Schutzvorrichtungen ausgebildet ist, von einer Ruhestellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element mit der Schaltungsanordnung verbindet, in eine Arbeitsstellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element von der Schaltungsanordnung abtrennt.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass zwischen Zellterminals unterschiedlicher Polarität der elektrochemischen Zelle zumindest während einer Übergangszeit ein Strom fließt, während die Schaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befindet.
Die erfindungsgemäße Zelle weist vorzugsweise eine Schaltvorrichtung auf, die dazu geeignet ist, einen Weiterbetrieb der elektrochemischen Vorrichtung nach dem Auslösen der Schaltvorrichtung und dem damit einhergehenden Ausfall der elektrochemischen Zelle zu ermöglichen.
Die Ausgestaltung des Strompfads nach dem Auslösen der Schaltvorrichtung kann dabei unterschiedlich gestaltet sein, je nachdem, ob die elektrochemische Zelle in einer Parallelschaltung mit anderen elektrochemischen Zellen verbunden ist oder ob die elektrochemische Zelle nur in einer Reihenschaltung mit anderen elektrochemischen Zellen verbunden ist.
Gleichzeitig mit dem Auslösen der Schaltvorrichtung kann das elektrochemische Element mittels einer Entladungsschaltvorrichtung in einen Entladungskreis geschaltet werden, in welchem noch in dem elektrochemischen Element der elektrochemischen Zelle enthaltene Energie über einen längeren Zeitraum hinweg abgebaut wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Leistungspfades durch eine Kontakteinrichtung einer elektrochemischen Zelle im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zu schaffen, welches den Leistungspfad im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle zuverlässig unterbricht und insbesondere auch für elektrochemische Zellen mit großer Energiespeicherkapazität geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Leistungspfades durch eine Kontakteinrichtung einer elektrochemischen Zelle im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle, welches Folgendes umfasst:

- Aktivieren einer Heizvorrichtung im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle, so dass ein Zurückhalteelement, das ein Unterbrechungselement in einer Ruhestellung zurückhält und durch Erwärmung deaktivierbar ist, erwärmt wird;
- Überführen des Unterbrechungselements von der Ruhstellung in eine Arbeitsstellung mittels eines Federelements, nachdem das Zurückhaltelement deaktiviert worden ist, wobei der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad unterbrochen ist, wenn das Unterbrechungselement sich in der Arbeitsstellung befindet.

Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle erläutert worden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei die elektrochemische Zelle eine Schutzvorrichtung zum Unterbrechen eines durch die elektrochemische Zelle führenden elektrischen Leistungspfades im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle umfasst, wobei die Schutzvorrichtung eine im Leistungspfad angeordnete Kontakteinrichtung, die von einem geschlossenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad geschlossen ist, in einen offenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad unterbrochen ist, überführbar ist, umfasst, wobei die Schutzvorrichtung ein Unterbrechungselement, das von einer Ruhestellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad nicht unterbrochen ist, in eine Arbeitsstellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung führende Leistungspfad unterbrochen ist, überführbar ist, umfasst, wobei die Schutzvorrichtung ein Zurückhalteelement, das das Unterbrechungselement in der Ruhestellung zurückhält und durch Erwärmung deaktivierbar ist, umfasst, wobei die Schutzvorrichtung ein Federelement, das eine Überführung des Unterbrechungselements von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung antreibt, wenn das Zurückhalteelement deaktiviert ist, umfasst und wobei die Schutzvorrichtung eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Zurückhalteelements im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle umfasst;
2 einen vertikalen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kontakteinrichtung in einem geschlossenen Zustand der Kontakteinrichtung, längs der Linie 2 - 2 in 3;
3 einen horizontalen Schnitt durch die Kontakteinrichtung aus 2 in einem geschlossenen Zustand der Kontakteinrichtung, längs der Linie 3 - 3 in 2;
4 einen vertikalen Schnitt durch die Kontakteinrichtung aus den 2 und 3 in einem offenen Zustand der Kontakteinrichtung, längs der Linie 4 - 4 in 5;
5 einen horizontalen Schnitt durch die Kontakteinrichtung aus 4 in einem offenen Zustand der Kontakteinrichtung, längs der Linie 5 - 5 in 4.
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, welche ein als eine Klammer ausgebildetes Zurückhalteelement umfasst;
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, welche ein als eine Klebestelle oder Lötstelle ausgebildetes Halteelement umfasst;
8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, welche ein Unterbrechungselement, das einen elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt aufweist, umfasst, wobei die Kontakteinrichtung zwei Kontaktelemente umfasst und das Unterbrechungselement in seiner Ruhestellung, in welcher es den durch die Kontakteinrichtung führenden Leistungspfad nicht unterbricht, außerhalb eines Zwischenraumes zwischen den Kontaktelementen angeordnet ist;
9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, welche ein Unterbrechungselement, das einen elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt umfasst, umfasst, wobei das Unterbrechungselement in seinem Ruhezustand im Zwischenraum zwischen zwei Kontaktelementen der Kontakteinrichtung angeordnet ist;
10 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, welche ein Unterbrechungselement, das einen elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt umfasst, umfasst, wobei das Unterbrechungselement ein Kontaktelement der Kontakteinrichtung umgibt und an diesem Kontaktelement verschieblich geführt ist;
11 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Schutzvorrichtung, welche ein Unterbrechungselement, das einen elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt umfasst, umfasst, wobei das Unterbrechungselement einstückig mit einem durch Erwärmung deaktivierbaren Zurückhalteelement ausgebildet ist, in einer Ruhestellung des Unterbrechungselements, in welcher das Zurückhalteelement das Unterbrechungselement gegen die Vorspannkraft eines Federelements zurückhält, so dass die Kontakteinrichtung in ihrem geschlossenen Zustand verbleibt;
12 einen Längsschnitt durch die Schutzvorrichtung aus 11, nachdem das Zurückhalteelement durch Erwärmung deaktiviert worden ist und das Unterbrechungselement mittels des Federelements von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung überführt worden ist, in welcher das Unterbrechungselement den durch die Kontakteinrichtung führenden Leistungspfad unterbricht;
13 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mehrere elektrochemische Zellen umfasst, wobei jeweils Gruppen von y elektrochemischen Zellen in einer Parallelschaltung miteinander verknüpft sind und x Gruppen von jeweils y parallel zueinander geschalteten elektrochemischen Zellen in Reihe geschaltet sind;
14 eine schematische Darstellung einer der elektrochemischen Zellen der elektrochemischen Vorrichtung aus 13, die eine Schaltvorrichtung umfasst, mittels welcher das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle von der Schaltungsanordnung abtrennbar ist, wobei die Schaltvorrichtung von einer Ruhestellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle mit der Schaltungsanordnung verbindet, in eine Arbeitsstellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element von der Schaltungsanordnung abtrennt und in einen Entladungskreis schaltet, überführbar ist, wobei der Entladungskreis zumindest einen Bereich eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle umfasst, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Ruhestellung befindet;
15 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle aus 14, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befindet;
16 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer der elektrochemischen Zellen aus 13, wobei der Entladungskreis einen strombegrenzenden Widerstand enthält und elektrisch leitend mit einem der Zellterminals der elektrochemischen Zelle verbunden ist, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Ruhestellung befindet;
17 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle aus 16, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befindet;
18 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer der elektrochemischen Zellen aus 13, welche eine Schaltvorrichtung umfasst, die in eine Arbeitsstellung überführbar ist, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle von der Schaltungsanordnung abtrennt, ohne das elektrochemische Element in einen Entladungskreis zu schalten, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Ruhestellung befindet;
19 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle aus 18, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befindet;
20 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung, welche mehrere elektrochemische Zellen umfasst, die in einer Schaltungsanordnung, welche eine Serienschaltung ist, miteinander verknüpft sind;
21 eine schematische Darstellung einer der elektrochemischen Zellen der elektrochemischen Vorrichtung aus 20, die eine Schaltvorrichtung umfasst, mittels welcher das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle von der Schaltungsanordnung abtrennbar ist, wobei die Schaltvorrichtung von einer Ruhestellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle mit der Schaltungsanordnung verbindet, in eine Arbeitsstellung, in welcher die Schaltvorrichtung das elektrochemische Element von der Schaltungsanordnung abtrennt und zwei Zellterminals unterschiedlicher Polarität der elektrochemischen Zelle miteinander verbindet, überführbar ist, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Ruhestellung befindet;
22 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle aus 21, wobei die Schaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befindet;
23 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer der elektrochemischen Zellen der elektrochemischen Vorrichtung aus 20, wobei die elektrochemische Zelle zusätzlich zu der Schaltvorrichtung eine Entladungsschaltvorrichtung umfasst, wobei die Entladungsschaltvorrichtung von einer Ruhestellung, in welcher die Entladungsschaltvorrichtung das elektrochemische Element mit der Schaltungsanordnung verbindet, in eine Arbeitsstellung, in welcher die Entladungsschaltvorrichtung das elektrochemische Element in einen Entladungskreis schaltet, überführbar ist, wobei die Schaltvorrichtung und die Entladungsschaltvorrichtung sich in ihrer Ruhestellung befinden;
24 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle aus 23, wobei die Schaltvorrichtung und die Entladungsschaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befinden;
25 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer der elektrochemischen Zellen der elektrochemischen Vorrichtung aus 20, wobei der Entladungskreis zumindest einen Bereich eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle umfasst, wobei die Schaltvorrichtung und die Entladungsschaltvorrichtung sich in ihrer Ruhestellung befinden; und
26 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle aus 25, wobei die Schaltvorrichtung und die Entladungsschaltvorrichtung sich in ihrer Arbeitsstellung befinden.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in 1 schematisch dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Zelle umfasst ein Gehäuse 102, welches ein- oder mehrteilig ausgebildet sein kann, ein in einem Innenraum 104 des Gehäuses 102 angeordnetes elektrochemisches Element 106, das über einen ersten Verbindungsleiter 108 elektrisch leitend mit einem ersten Zellterminal 110 und über einen zweiten Verbindungsleiter 112 elektrisch leitend mit einem zweiten Zellterminal 114 verbunden ist, und ein elektrisches Isolationselement 116, mittels welchem der zweite Verbindungsleiter 112 und das zweite Zellterminal 114 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 102 isoliert sind, während der erste Verbindungsleiter 108 und das erste Zellterminal 110 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 102 verbunden sind.
Ferner umfasst die elektrochemische Zelle eine Schutzvorrichtung 118 zum Unterbrechen eines durch die elektrochemische Zelle 100 führenden elektrischen Leistungspfades 120 im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle 100.
Diese Schutzvorrichtung 118 umfasst eine im Leistungspfad 120 angeordnete Kontakteinrichtung 122, die von einem in 1 dargestellten geschlossenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 geschlossen ist, in einen offenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 unterbrochen ist, überführbar ist.
Die Schutzvorrichtung 118 umfasst ferner ein Unterbrechungselement 124, das von einer in 1 dargestellten Ruhestellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 nicht unterbrochen ist, in eine Arbeitsstellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 unterbrochen ist, überführbar ist.
Das Unterbrechungselement 124 kann einen Bestandteil der Kontakteinrichtung 122 bilden, wie dies bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Fall ist.
Die Schutzvorrichtung 118 umfasst ferner ein Zurückhalteelement 126, dass das Unterbrechungselement 124 in der in 1 dargestellten Ruhestellung zurückhält und dessen Zurückhaltefunktion durch Erwärmung deaktivierbar ist.
Außerdem umfasst die Schutzvorrichtung 118 ein Federelement 128, das eine Überführung des Unterbrechungselements 124 von der in 1 dargestellten Ruhestellung in die Arbeitsstellung antreibt, wenn das Zurückhalteelement 126 deaktiviert ist.
Ferner umfasst die Schutzvorrichtung 118 eine Heizvorrichtung 130 zum Erwärmen des Zurückhalteelements 126 im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle 100.
Die Schutzvorrichtung 118 umfasst ferner einen Aktivator 132 zum Aktivieren der Heizvorrichtung 130 im Falle einer Überschreitung einer Druckschwelle innerhalb des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100, beispielsweise im Falle einer Überladung der elektrochemischen Zelle 100.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst dieser Aktivator ein Umschnappelement 134, welches in einer Begrenzungswand 136 des Gehäuses 102 angeordnet ist.
Das Umschnappelement 134 ist über das Gehäuse 102 elektrisch leitend mit dem ersten Zellterminal 110 verbunden.
Das Umschnappelement 134 ist bistabil ausgebildet und von dem in 1 in durchgezogener Linie dargestellten Ruhezustand, welchen das Umschnappelement 134 im Normalbetriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 einnimmt, in den in 1 in gebrochener Linie dargestellten Arbeitszustand überführbar, welchen das Umschnappelement 134 nach Überschreiten eines Schwellendrucks im Innenraum 104 des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 einnimmt.
In diesem Arbeitszustand steht das Umschnappelement 134 in elektrisch leitendem Kontakt mit einem Heizleiter 138, welcher zu einem Heizelement 140 führt, das vorzugsweise in das Zurückhalteelement 126 eingebettet ist.
Von dem Heizelement 140 führt ein weiterer Heizleiter 142 zu einem zwischen der Kontakteinrichtung 122 und dem zweiten Zellterminal 114 liegenden Abschnitt 112a des zweiten Verbindungsleiters 112.
Die Kontakteinrichtung 122 ist bei dieser Ausführungsform als ein mehrteiliger Stecker 144 ausgebildet, welcher ein stationäres erstes Steckerteil 146, ein stationäres zweites Steckerteil 148 und ein bewegliches Steckerteil 150, welches zwischen dem ersten Steckerteil 146 und dem zweiten Steckerteil 148 angeordnet ist, umfasst.
Der erste Steckerteil 146 ist an den Abschnitt 112a des zweiten Verbindungsleiters 112 angeschlossen, welcher zu dem zweiten Zellterminal 114 führt.
An dem ersten Steckerteil 146 ist ferner das Federelement 128 angeordnet, welches sich an einem Widerlager 152, das an dem ersten Steckerteil 146 angeordnet ist, abstützt. Das dem Widerlager 152 gegenüberliegende freie Ende des Federelements 128 stützt sich an einem Widerlager 154 ab, welches an dem beweglichen Steckerteil 150 angeordnet ist.
Das zweite Steckerteil 148 ist über einen Verlustwiderstand 156 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 102 und somit dem ersten Zellterminal 110 verbunden.
Der Verlustwiderstand kann als ein Kaltleiter (PTC) 157 ausgebildet sein.
Das bewegliche Steckerteil 150 übernimmt bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 die Funktion des Unterbrechungselements 124.
Das Zurückhalteelement 126, in welches das Heizelement 140 eingebettet ist, umfasst ein vorzugsweise niedrigschmelzendes Kunststoffmaterial, insbesondere ein thermoplastisches Kunststoffmaterial, und/oder ein vorzugsweise niedrigschmelzendes metallisches Material.
Vorzugsweise ist das Zurückhalteelement 126 im Wesentlichen vollständig aus einem niedrigschmelzenden Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, und/oder aus einem niedrigschmelzenden metallischen Material gebildet.
Die Heizvorrichtung 130 steht in unmittelbarem Kontakt mit dem Zurückhalteelement 126.
Das Zurückhalteelement 126 ist durch Formschluss, Stoffschluss und/oder Kraftschluss mit dem Unterbrechungselement 124, welches bei dieser Ausführungsform durch das bewegliche Steckerteil 150 gebildet ist, gekoppelt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Zurückhalteelement 126 einstückig mit dem Unterbrechungselement 124 ausgebildet ist.
Das Unterbrechungselement 124 umfasst einen Abschnitt des durch die Kontakteinrichtung 122 führenden Leistungspfades 120 der elektrochemischen Zelle 100.
Die Kontakteinrichtung 122 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 im Innenraum 104 des Gehäuses 102 angeordnet.
Der Heizleiter 138, welcher von dem Umschnappelement 134 zu dem Heizelement 140 führt, ist durch das Gehäuse 102 hindurch geführt. Mittels eines elektrischen Isolationselements 158 ist der Heizleiter 138 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 102 isoliert.
Eine mögliche konstruktive Ausgestaltung der Kontakteinrichtung 122 ist in den 2 bis 5 dargestellt, wobei die 2 und 3 die Kontakteinrichtung 122 in ihrem geschlossenen Zustand zeigen, in welchem der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 durch einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen dem beweglichen Steckerteil 150 und dem ersten Steckerteil 146 geschlossen ist, und die 4 und 5 die Kontakteinrichtung 122 in ihrem offenen Zustand zeigen, in welchem der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 unterbrochen ist, während ein von dem ersten Zellterminal 110 über das Gehäuse 102, den Verlustwiderstand 156 und das zweite Steckerteil 148 sowie durch das elektrisch leitend mit dem zweiten Steckerteil 148 in Kontakt stehende bewegliche Steckerteil 150 zu einem an das elektrochemische Element 106 angeschlossenen Abschnitt 112b des zweiten Verbindungsleiters 112 führt, so dass die elektrochemische Zelle 100 in diesem offenen Zustand der Kontakteinrichtung 122 durch den Verlustwiderstand 156 hindurch kurzgeschlossen ist und sich somit vollständig entladen kann.
Die in den 2 bis 5 verwendeten Bezugszeichen entsprechen den in 1 verwendeten Bezugszeichen und sind vorstehend erläutert worden.
Die vorstehend beschriebene Schutzvorrichtung 118 der elektrochemischen Zelle 100 funktioniert wie folgt:

In einem regulären Normalbetriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 befindet sich die Kontakteinrichtung 122 in ihrem in den 1 bis 3 dargestellten geschlossenen Zustand, in welchem der Leistungspfad 120 durch die Kontakteinrichtung 122, der von dem ersten Zellterminal 110 durch den ersten Verbindungsleiter 108, das elektrochemische Element 106, den Abschnitt 112b des zweiten Verbindungsleiters 112, das bewegliche Steckerteil 150 der Kontakteinrichtung 122, das erste Steckerteil 146 der Kontakteinrichtung 122 und den Abschnitt 112a des zweiten Verbindungsleiters 112 zu dem zweiten Zellterminal 114 führt, geschlossen ist.

Wenn der Druck im Innenraum 104 des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100, beispielsweise aufgrund eines Überladungszustands der elektrochemischen Zelle 100, über einen vorgegebenen Schwellenwert hinaus ansteigt, geht das Umschnappelement 134 von seinem in 1 in durchgezogener Linie dargestellten Ruhezustand in den in 1 in gebrochener Linie dargestellten Arbeitszustand über, wodurch ein Kurzschluss zwischen dem (beispielsweise auf positivem Potential liegenden) Gehäuse 102 und dem (beispielsweise auf negativem Potential liegenden) zweiten Zellterminal 114 erzeugt wird, und zwar durch den Heizleiter 138, das Heizelement 140 der Heizvorrichtung 130, den Heizleiter 142 und den Abschnitt 112a des zweiten Verbindungsleiters 112 hindurch.
Der Kurzschlussstrom erwärmt das Heizelement 140, welches beispielsweise einen Heizdraht umfassen kann, und schmilzt das Zurückhalteelement 126 auf.
Das Unterbrechungselement 124, welches durch das bewegliche Steckerteil 150 gebildet ist, wird daher von dem deaktivierten Zurückhalteelement 126 nicht mehr in seiner Ruhestellung zurückgehalten, sondern von dem Federelement 128 in die in den 4 und 5 dargestellte Arbeitsstellung überführt, in welcher der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 unterbrochen ist und der durch das bewegliche Steckerteil 150 und das zweite Steckerteil 148 sowie den Verlustwiderstand 156 führende Entladungspfad der elektrochemischen Zelle 100 geschlossen ist, so dass die elektrochemische Zelle 100 über den Verlustwiderstand 156 kontrolliert entladbar ist.
Alternativ hierzu könnte auch vorgesehen sein, dass der Entladungspfad der elektrochemischen Zelle 100 nicht an dem Gehäuse 102 endet, sondern zu einem außerhalb des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 angeordneten Kontaktpunkt führt, so dass die elektrochemische Zelle 100 über einen durch die Kontakteinrichtung 122 in deren offenem Zustand geschlossenen externen Strompfad entladbar ist.
Der für die Erwärmung und das Aufschmelzen des Zurückhalteelements 126 benötigte Kurzschlussstrom durch das Heizelement 140 ist deutlich geringer als der Kurzschlussstrom, der für das Auslösen einer Schmelzsicherung an einem der Zellterminals 110, 114 erforderlich wäre.
Der erforderliche Kurzschlussstrom für das Auslösen der Schmelzsicherung würde in der Größenordnung von ungefähr 1.500 A liegen, während für das Aufschmelzen des Zurückhalteelements 126 ein Kurzschlussstrom durch das Heizelement 140 in der Größenordnung von 10 A ausreichend sein kann.
Durch die Überführung des Unterbrechungselements 124 von der in den 1 bis 3 dargestellten Ruhestellung in die in den 4 und 5 dargestellte Arbeitsstellung mittels des Federelements 128, nach der Deaktivierung des Zurückhalteelements 126, wird eine sichere und zuverlässige Unterbrechung des durch die Kontakteinrichtung 122 führenden Leistungspfades 120 erzielt.
Durch die Auslösung der Schutzvorrichtung 118 wird die elektrochemische Zelle 100 nicht irreversibel zerstört.
Vielmehr ist eine Wiederinstandsetzung der elektrochemischen Zelle 100 möglich, indem das Unterbrechungselement 124 von der Arbeitsstellung in die Ruhestellung überführt wird, wobei das Federelement 128 erneut gespannt wird, und das Unterbrechungselement 124 durch Montieren eines neuen Zurückhalteelements 126 mit einem neuen Heizelement 140 erneut in der Ruhestellung gesichert wird.
Die Kontakteinrichtung 122 stellt einen normalen Stecker dar, welcher im regulären Normalbetrieb der elektrochemischen Zelle 100 nur einen geringen Übergangswiderstand aufweist.
Da das Unterbrechungselement 124 in seiner Ruhestellung durch das Zurückhalteelement 126 zurückgehalten wird, solange das Umschnappelement 134 nicht durch eine Erhöhung des Drucks im Innenraum 104 des Gehäuses 102 über den vorgegebenen Schwellendruck hinaus aktiviert wird, und da das Unterbrechungselement 124 durch das Federelement 128 in die Arbeitsstellung vorgespannt wird, wenn das Zurückhalteelement 126 durch Aufschmelzen deaktiviert worden ist, ist die Funktion der Schutzvorrichtung 118 in hohem Maße unempfindlich gegenüber Vibrationen.
Außerdem weist die Schutzvorrichtung 118 aufgrund der Ausbildung der Kontakteinrichtung 122 als normaler Stecker eine nur geringe Empfindlichkeit gegenüber Stößen auf.
Der elektrische Leistungspfad 120 wird im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle 100 sicher, dauerhaft und zerstörungsfrei unterbrochen.
Im irregulären Betriebszustand ist eine sichere Entladung der elektrochemischen Zelle 100 ermöglicht.
Die Schutzvorrichtung 118 kann nach dem Auslösen wieder in ihren Ursprungszustand zurückversetzt werden, so dass die elektrochemische Zelle 100 wiederverwendbar ist.
Eine in 6 schematisch und ausschnittsweise dargestellte zweite Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 zum Unterbrechen eines durch eine elektrochemische Zelle 100 führenden elektrischen Leistungspfades 120 zeichnet sich dadurch aus, dass das Zurückhalteelement 126 der Schutzvorrichtung 118 als eine Klammer 160 ausgebildet ist, welche sowohl das stationäre erste Steckerteil 146 als auch das bewegliche Steckerteil 150 der Kontakteinrichtung 122 hintergreift, so dass das bewegliche Steckerteil 150 gegen die Federkraft eines Federelements 128 an dem ersten Steckerteil 146 zurückgehalten wird, solange die elektrochemische Zelle 100 sich in einem regulären Betriebszustand befindet.
Die Klammer 160 umfasst vorzugsweise ein erstes Klammerteil 162 und ein zweites Klammerteil 164, welche stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Schmelzlötstelle 166, miteinander verbunden sind.
Ein Heizelement 140 einer Heizvorrichtung 130 ist so in der Nähe der Schmelzlötstelle 166 angeordnet, dass es die Schmelzlötstelle 166 direkt oder indirekt bis zum Aufschmelzen erwärmt, wenn die Heizvorrichtung 130 im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle 100 aktiviert wird.
Nach dem Schmelzen der Schmelzlötstelle 166 wird die Verbindung zwischen dem ersten Klammerteil 162 und dem zweiten Klammerteil 164 und die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem beweglichen Steckerteil 150 und dem stationären ersten Steckerteil 146 durch das Federelement 128 getrennt.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 für eine elektrochemische Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Herstellung und Funktionsweise mit der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 7 schematisch und ausschnittsweise dargestellte dritte Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 zum Unterbrechen eines durch eine elektrochemische Zelle 100 führenden elektrischen Leistungspfades 120 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass das Zurückhalteelement 126 nicht durch eine Klammer 160, sondern durch eine stoffschlüssige Verbindungsstelle, insbesondere eine Klebestelle oder Lötstelle 168 gebildet ist, durch welche das bewegliche Steckerteil 150 im regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 stoffschlüssig mit einem Bauelement 170, welches in der Nähe des beweglichen Steckerteils 150 angeordnet ist, stoffschlüssig verbunden ist.
Die Schutzvorrichtung 118 dieser Ausführungsform umfasst eine Heizvorrichtung 130 mit einem Heizelement 140, welches in der Nähe der Klebestelle oder Lötstelle 168 angeordnet ist, so dass die Klebestelle oder Lötstelle 168 nach dem Aktivieren der Heizvorrichtung 130 im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle 100 erweicht oder aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem beweglichen Steckerteil 150 einerseits und dem stationären Bauelement 170 andererseits gelöst, und das bewegliche Steckerteil 150 wird durch das Federelement 128 von dem ersten Steckerteil 146 weg bewegt, wodurch der Leistungspfad 120 durch die Kontakteinrichtung 122 unterbrochen wird.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte dritte Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 hinsichtlich Aufbau, Herstellung und Funktionsweise mit der in 6 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 schematisch und ausschnittsweise dargestellte vierte Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 zum Unterbrechen eines durch eine elektrochemische Zelle 100 führenden elektrischen Leistungspfades 120 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen, in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsformen dadurch, dass das Unterbrechungselement 124 selbst keinen Abschnitt des durch die Kontakteinrichtung 122 führenden Leistungspfades 120 bildet, sondern vielmehr einen elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt 171 umfasst.
Die Kontakteinrichtung 172 umfasst bei dieser Ausführungsform ein erstes Kontaktelement 172 und ein zweites Kontaktelement 174, welche in dem in 8 dargestellten regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 elektrisch leitend in Kontakt miteinander stehen, so dass die Kontakteinrichtung 122 sich in ihrem geschlossenen Zustand befindet, in welchem der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 geschlossen ist.
Das Unterbrechungselement 124 wird in seiner in 8 dargestellten Ruhestellung durch ein (nicht dargestelltes) Zurückhalteelement 126 zurückgehalten, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Wenn ein irregulärer Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 auftritt, so wird das Zurückhalteelement durch Erwärmung deaktiviert, und das Unterbrechungselement 124 wird mittels eines vorgespannten (nicht dargestellten) Federelements längs der in 8 mit dem Pfeil 176 bezeichneten Bewegungsrichtung so zwischen das erste Kontaktelement 172 und das zweite Kontaktelement 174 der Kontakteinrichtung 122 bewegt, dass der elektrische Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 172 und dem zweiten Kontaktelement 174 durch den elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt 171 des Unterbrechungselements 124 unterbrochen wird.
Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass mindestens eines der Kontaktelemente 172 und 174, beispielsweise das erste Kontaktelement 172, einen flexiblen Kontaktelementabschnitt 178 aufweist, welcher unter der Einwirkung des Unterbrechungselements 124 derart verformbar ist, dass der Isolationsabschnitt 171 des Unterbrechungselements 124 zwischen das erste Kontaktelement 172 und das zweite Kontaktelement 174 bewegbar ist.
Das erste Kontaktelement 172 und das zweite Kontaktelement 174 können dabei die Funktionen des stationären ersten Steckerteils 146 beziehungsweise des beweglichen Steckerteils 150 der vorstehend beschriebenen, in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsformen einer Schutzvorrichtung 118 übernehmen.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte vierte Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 hinsichtlich Aufbau, Herstellung und Funktionsweise mit der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 9 schematisch und ausschnittsweise dargestellte fünfte Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 zum Unterbrechen eines durch eine elektrochemische Zelle 100 führenden elektrischen Leistungspfades 120 unterscheidet sich von der in 8 dargestellten vierten Ausführungsform dadurch, dass das Unterbrechungselement 124 in seiner Ruhestellung, in welcher es den durch die Kontakteinrichtung 122 führenden elektrischen Leistungspfad 120 nicht unterbricht, in einem Zwischenraum 180 zwischen dem ersten Kontaktelement 172 und dem zweiten Kontaktelement 174 der Kontakteinrichtung 122 angeordnet und somit besonders platzsparend untergebracht ist.
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 hinsichtlich Aufbau, Herstellung und Funktionsweise mit der in 8 dargestellten vierten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Das Unterbrechungselement 124 kann bei den in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen einen im Wesentlichen keilförmigen Unterbrechungsabschnitt 182 umfassen, welcher sich bei der Überführung des Unterbrechungselements 124 von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung, in welcher das Unterbrechungselement 124 den Leistungspfad 120 durch die Kontakteinrichtung 122 unterbricht, zwischen das erste Kontaktelement 172 und das zweite Kontaktelement 174 der Kontakteinrichtung 122 drängt und dadurch das erste Kontaktelement 172 und das zweite Kontaktelement 174 der Kontakteinrichtung 122 voneinander löst.
Eine in 10 schematisch und ausschnittsweise dargestellte sechste Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 zum Unterbrechen eines durch eine elektrochemische Zelle 100 führenden elektrischen Leistungspfades 120 unterscheidet sich von den in 8 und 9 dargestellten dritten und vierten Ausführungsformen dadurch, dass das erste Kontaktelement 172 zweiteilig ausgebildet ist und somit zwei stationäre erste Kontaktelementabschnitte 172a und 172b umfasst, welche über jeweils einen flexiblen Kontaktelementabschnitt 178a beziehungsweise 178b von verschiedenen Seiten an dem stationären zweiten Kontaktelement 174 elektrisch leitend anliegen, wenn die Kontakteinrichtung 122 sich in dem in 10 dargestellten geschlossenen Zustand befindet, in welchem der durch die Kontakteinrichtung 122 führende Leistungspfad 120 der elektrochemischen Zelle 100 geschlossen ist.
In diesem Fall weist das Unterbrechungselement 124 vorzugsweise zwei elektrisch isolierende Isolationsabschnitte 171 auf, wobei jeder der Isolationsabschnitte 171 jeweils einen der ersten Kontaktelementabschnitte 172a beziehungsweise 172b von dem zweiten Kontaktelement 174 isoliert, wenn das Unterbrechungselement 124 von seiner in 10 dargestellten Ruhestellung längs der Bewegungsrichtung 176 in seine Arbeitsstellung überführt wird, in welcher die Isolationsabschnitte 171 des Unterbrechungselements 124 zwischen jeweils einem der flexiblen Kontaktelementabschnitte 178a beziehungsweise 178b einerseits und dem zweiten Kontaktelement 174 andererseits angeordnet sind.
Die elektrisch isolierenden Isolationsabschnitte 171 des Unterbrechungselements 124 können vorzugsweise jeweils einen keilförmigen Unterbrechungsabschnitt 182 umfassen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Unterbrechungselement 124 verschieblich an dem zweiten Kontaktelement 174 geführt ist, während es sich aus der Ruhestellung in die Arbeitsstellung bewegt.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte sechste Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118 für eine elektrochemische Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Herstellung und Funktionsweise mit der in 9 dargestellten fünften Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine mögliche konstruktive Ausgestaltung einer Schutzvorrichtung 118 zum Unterbrechen eines durch eine elektrochemische Zelle 100 führenden elektrischen Leistungspfads 120, bei welcher das Funktionsprinzip der in 10 dargestellten sechsten Ausführungsform verwirklicht ist, ist in den 11 und 12 ausschnittsweise dargestellt.
Dabei zeigt die 11 die Schutzvorrichtung 118 in einem regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100, wobei das Unterbrechungselement 124 sich in seiner Ruhestellung befindet und der elektrische Leistungspfad 120 durch die Kontakteinrichtung 122 geschlossen ist.
Die 12 zeigt die Schutzvorrichtung 118 in einem irregulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100, wobei das Unterbrechungselement 124 aus der Ruhestellung in die Arbeitsstellung überführt worden ist, in welcher das Unterbrechungselement 124 die ersten Kontaktelementabschnitte 172a und 172b von dem zweiten Kontaktelement 174 trennt, so dass der elektrische Leistungspfad 120 durch die Kontakteinrichtung 122 unterbrochen ist.
Bei dieser Ausführungsform ist das Unterbrechungselement 124, welches elektrisch isolierende Isolationsabschnitte 171 aufweist, die jeweils einen keilförmigen Unterbrechungsabschnitt 182 umfassen, an dem zweiten Kontaktelement 174 längs der Bewegungsrichtung 176 verschieblich geführt.
Das erste Kontaktelement 172 umfasst bei dieser Ausführungsform zwei erste Kontaktelementabschnitte 172a und 172b, welche durch ein elektrisches Isolationselement 184 von dem zweiten Kontaktelement 174 getrennt sind.
Beide erste Kontaktelementabschnitte 172a, 172b liegen im in 11 dargestellten regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 über jeweils einen flexiblen Kontaktelementabschnitt 178a beziehungsweise 178b elektrisch leitend an dem zweiten Kontaktelement 174 an.
Das erste Kontaktelement 172, das zweite Kontaktelement 174, das elektrische Isolationselement 184 und das Unterbrechungselement 124 sind zumindest teilweise in einem Schutzvorrichtungsgehäuse 186 angeordnet.
Das Schutzvorrichtungsgehäuse 186 kann aus einem elektrisch leitenden Material oder aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein.
Eine Stirnwand 188 des Schutzvorrichtungsgehäuses 186, welche auf einer dem ersten Kontaktelement 172 abgewandten Seite des Unterbrechungselements 124 angeordnet ist, bildet ein erstes Widerlager 152 für ein das Unterbrechungselement 124 umgebendes Federelement 128.
Ein sich quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zur Bewegungsrichtung 176 erstreckender Flanschbereich 190 des Unterbrechungselements 124 bildet ein zweites Widerlager 154 für das Federelement 128.
Ein dem ersten Kontaktelement 172 abgewandter Endbereich 192 des Unterbrechungselements 124 erstreckt sich durch eine Durchtrittsöffnung 194 in der Stirnwand 188 des Schutzvorrichtungsgehäuses 186 hindurch und endet an einem Sicherungszapfen 196, welcher im regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 von außen an einer weiteren Stirnwand 198 des Schutzvorrichtungsgehäuses 186 anliegt und somit als Zurückhalteelement 126 dient, welches das Unterbrechungselement 124 in seiner in 11 dargestellten Ruhestellung zurückhält.
Bei dieser Ausführungsform ist somit das Zurückhalteelement 126 einstückig mit dem Unterbrechungselement 124 ausgebildet.
Der Endbereich 192 des Unterbrechungselements 124 ist bei dieser Ausführungsform von einem keramischen Heizelement 200 einer Heizvorrichtung 130 umgeben, welche in einem irregulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle in derselben Weise aktivierbar ist wie die Heizvorrichtung 130 der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 118.
Das Unterbrechungselement 124 ist bei dieser Ausführungsform aus einem niedrigschmelzenden, elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem thermoplastischen Material, gebildet.
Wenn bei Eintreten eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle 100 die Heizvorrichtung 130 aktiviert worden ist, erwärmt das Heizelement 200 den Endbereich 192 des Unterbrechungselements 124 und insbesondere den Sicherungszapfen 196, so dass der Sicherungszapfen 196 erweicht wird oder sogar schmilzt, wodurch das durch den Sicherungszapfen 196 gebildete Zurückhalteelement 126 durch Erwärmung deaktiviert wird.
Nach Deaktivierung des Zurückhalteelements 126 wird das Unterbrechungselement 124 von dem Federelement 128 längs der Bewegungsrichtung 176 (in 12 nach links) bewegt, so dass die keilförmigen Unterbrechungsabschnitte 182 des Unterbrechungselements 124 sich zwischen jeweils einen flexiblen Kontaktelementabschnitt 178a beziehungsweise 178b einerseits und das zweite Kontaktelement 174 andererseits drängen und somit das erste Kontaktelement 172 von dem zweiten Kontaktelement 174 trennen, wodurch der elektrische Leistungspfad 120 durch die Kontakteinrichtung 122 unterbrochen ist.
Im Übrigen stimmt die in den 11 und 12 dargestellte siebte Ausführungsform hinsichtlich Aufbau, Herstellung und Funktionsweise mit der in 10 dargestellten sechsten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Einer der vorstehend beschriebenen elektrochemischen Zellen 100 kann einen Bestandteil einer elektrochemischen Vorrichtung 202 bilden, welche mehrere elektrochemische Zellen 100 umfasst, die jeweils ein elektrochemisches Element 106, beispielsweise einen Zellwickel, enthalten und in einer Schaltungsanordnung 204, welche eine Reihenschaltung 206 und/oder eine Parallelschaltung 208 umfasst, miteinander verknüpft sind, wobei mindestens einer der elektrochemischen Zellen 100, vorzugsweise jeder der elektrochemischen Zellen 100, eine Schaltvorrichtung 210 zugeordnet ist, mittels welcher das elektrochemische Element 106 der betreffenden elektrochemischen Zelle 100 im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle 100 von der Schaltungsanordnung 204 abtrennbar ist (siehe die 13 bis 15).
Dabei ist die Schaltvorrichtung 210 der betreffenden elektrochemischen Zelle 100 insbesondere so ausgebildet wie die vorstehend beschriebene Schutzvorrichtung 118 der elektrochemischen Zelle 100, bevorzugt in einer der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 7, welche vorstehend beschrieben worden sind.
Eine solche elektrochemische Vorrichtung 202 ermöglicht es, eine fehlerhafte elektrochemische Zelle 100 von den übrigen elektrochemischen Zellen 100 der elektrochemischen Vorrichtung 202 zu separieren und die fehlerhafte elektrochemische Zelle 100 in einen ungefährlichen Zustand, insbesondere in einen vollständig entladenen Zustand, zu überführen, so dass die elektrochemische Vorrichtung 202 im Falle eines irregulären Betriebszustands einer fehlerhaften elektrochemischen Zelle 100 länger genutzt werden kann.
Bei der in 13 dargestellten Schaltungsanordnung 204 der elektrochemischen Vorrichtung 202 umfasst die elektrochemische Vorrichtung 202 Zellgruppen 212, welche jeweils y parallel zueinander geschaltete elektrochemische Zellen 100, beispielsweise jeweils drei parallel zueinander geschaltete elektrochemische Zellen 100, umfassen, wobei x solcher Zellgruppen 212, beispielsweise drei Zellgruppen 212a, 212b und 212c, miteinander in Reihe geschaltet sind.
Eine der elektrochemischen Zellen 100 einer solchen Zellgruppe 212, beispielsweise die elektrochemische Zelle 100a der Zellgruppe 212b, ist in den 14 und 15 einzeln dargestellt.
Diese elektrochemische Zelle 100 umfasst eine Schaltvorrichtung 210, welche von einer in 14 dargestellten Ruhestellung, in welcher die Schaltvorrichtung 210 das elektrochemische Element 106 der elektrochemischen Zelle 100 über das zweite Zellterminal 114 mit der Schaltungsanordnung 204 verbindet, in eine in 15 dargestellte Arbeitsstellung, in welcher die Schaltvorrichtung 210 das elektrochemische Element 106 von dem zweiten Zellterminal 114 und somit von der Schaltungsanordnung 204 abtrennt, überführbar ist.
Dabei schaltet die Schaltvorrichtung 210 in ihrer in 15 dargestellten Arbeitsstellung das elektrochemische Element 106 in einen Entladungskreis 214, welcher einen strombegrenzenden Widerstand 216, eine Entladungsleitung 218 und zumindest einen Bereich des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 umfasst, so dass beispielsweise der negative Pol des elektrochemischen Elements 106 über die Schaltvorrichtung 210, den strombegrenzenden Widerstand 216, die Entladungsleitung 218 und einen Bereich des Gehäuses 102 elektrisch leitend mit dem beispielsweise positiven ersten Zellterminal 110 verbunden ist. Das erste Zellterminal 110 ist bei dieser Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 102 verbunden.
So wird in einem irregulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle 100, welcher eine Überführung der Schaltvorrichtung 210 in die Arbeitsstellung zur Folge hat, das elektrochemische Element 106 durch den Entladungskreis 214 langsam und in ungefährlicher Weise entladen.
Dabei wird die im elektrochemischen Element 106 gespeicherte Energie so langsam entzogen, dass die dabei entstehende Wärme keine Gefahr für die elektrochemische Zelle 100 darstellt.
Der strombegrenzende Widerstand 216 kann beispielsweise durch einen Kontakt der Schaltvorrichtung 210 gebildet sein, welcher mit einer nur begrenzt elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist und über welchen die Schaltvorrichtung 210 das elektrochemische Element 106 auf das Gehäuse 102 der elektrochemischen Zelle 100 schaltet.
Auch nach der Überführung der Schaltvorrichtung 210 der elektrochemischen Zelle 100a der Zellgruppe 212b in die Arbeitsstellung bleibt ein Strompfad durch die Zellgruppe 212b hindurch erhalten, nämlich über die parallel zu der elektrochemischen Zelle 100a geschalteten elektrochemischen Zellen 100b und 100c, deren Schaltvorrichtungen 210 nicht in die Arbeitsstellung überführt worden sind.
Auch im Falle einer Abtrennung einer defekten elektrochemischen Zelle 100a kann somit Strom durch die Schaltungsanordnung 204 der elektrochemischen Vorrichtung 202 hindurch fließen.
Die beiden Zellterminals 110 und 114 der defekten elektrochemischen Zelle 100 sind nicht miteinander kurzgeschlossen, wenn die Schaltvorrichtung 210 sich in ihrer in 15 dargestellten Arbeitsstellung befindet.
Die Schaltvorrichtung 210 ist vorzugsweise durch eine Veränderung eines Drucks im Innenraum 104 des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 und/oder durch eine Änderung einer Temperatur in einem Bereich der elektrochemischen Zelle 100 von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung überführbar.
Eine in den 16 und 17 dargestellte alternative Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 zur Verwendung in der Schaltungsanordnung 204 gemäß 13 unterscheidet sich von der in den 14 und 15 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass der Entladungskreis 214 keinen Bereich des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 umfasst, sondern die Entladungsleitung 218 an den Verbindungsleiter 108 angeschlossen ist, welcher zu dem ersten Zellterminal 110 führt.
In diesem Fall kann das erste Zellterminal 110 durch ein elektrisches Isolationselement 116' elektrisch gegenüber dem Gehäuse 102 der elektrochemischen Zelle 100 isoliert sein.
Ein strombegrenzender Widerstand 216 kann bei dieser Ausführungsform im Abstand von der Schaltvorrichtung 210 in der Entladungsleitung 218 angeordnet sein.
Im Übrigen stimmt die in den 16 und 17 dargestellte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 14 und 15 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 18 und 19 dargestellte weitere Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100, welche zur Verwendung in der Schaltungsanordnung 204 aus 13 geeignet ist, unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen, in den 16 und 17 dargestellten Ausführungsformen dadurch, dass die Schaltvorrichtung 210 das elektrochemische Element 106 der elektrochemischen Zelle 100 in der in 19 dargestellten Arbeitsstellung der Schaltvorrichtung 210 von der Schaltungsanordnung 204 abtrennt, ohne das elektrochemische Element 106 in einen Entladungskreis 214 zu schalten.
In diesem Fall bleibt die elektrische Ladung in dem elektrischen Element 106 erhalten, nachdem die Schaltvorrichtung 210 in die in 19 dargestellte Arbeitsstellung überführt worden ist.
Im Übrigen stimmt die in den 18 und 19 dargestellte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 16 und 17 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In 20 ist die Schaltungsanordnung 204 einer weiteren Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 202, welche eine der vorstehend beschriebenen elektrochemischen Zellen 100, insbesondere wie in den 1 bis 7 dargestellt, umfasst, dargestellt.
Diese Schaltungsanordnung 204 aus 20 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 204 aus 13 dadurch, dass jede Zellgruppe 212 nur eine einzige elektrochemische Zelle 100 enthält, so dass alle elektrochemischen Zellen 100 der elektrochemischen Vorrichtung 202 in einer Reihenschaltung 206 miteinander verknüpft sind.
Eine elektrochemische Zelle 100 der elektrochemischen Vorrichtung 202 aus 20 ist in den 21 und 22 dargestellt.
Die elektrochemische Zelle 100 umfasst eine Schaltvorrichtung 210, die von einer in 21 dargestellten Ruhestellung, in welcher die Schaltvorrichtung 210 das elektrochemische Element 106 der elektrochemischen Zelle 100 mit dem zweiten Zellterminal 114 und somit mit der Schaltungsanordnung 204 verbindet, in eine in 22 dargestellte Arbeitsstellung, in welcher die Schaltvorrichtung 210 das elektrochemische Element 106 von dem zweiten Zellterminal 114 und damit von der Schaltungsanordnung 204 abtrennt und das erste Zellterminal 110 und das zweite Zellterminal 114 der elektrochemischen Zelle, welche unterschiedliche Polarität aufweisen, über eine Kurzschlussleitung 220 miteinander verbindet, überführbar ist.
Dadurch, dass in der Arbeitsstellung die beiden Zellterminals 110 und 114 der elektrochemischen Zelle 100 elektrisch leitend miteinander verbunden und somit kurzgeschlossen sind, kann die elektrochemische Vorrichtung 202 mit leicht verminderter Spannung noch (kurzzeitig) weiter betrieben und in einen sicheren Zustand versetzt werden, wenn in der elektrochemischen Zelle ein irregulärer Betriebszustand auftritt, aufgrund dessen die Schaltvorrichtung 210 von der in 21 dargestellten Ruhestellung in die in 22 dargestellte Arbeitsstellung überführt wird.
Die Schaltvorrichtung 210 der elektrochemischen Zelle 100 kann insbesondere so aufgebaut werden, wie eine der vorstehend beschriebenen Schutzvorrichtungen 118, insbesondere eine Schutzvorrichtung 118, wie sie in den 1 bis 7 dargestellt ist.
Eine in den 23 und 24 dargestellte weitere Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100, wie sie in der elektrochemischen Vorrichtung 202 mit der Schaltungsanordnung 204 gemäß 20 verwendbar ist, unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen, in den 21 und 22 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die elektrochemische Zelle 100 zusätzlich zu der Schaltvorrichtung 210 eine Entladungsschaltvorrichtung 222 umfasst, wobei die Entladungsschaltvorrichtung 22 von einer in 23 dargestellten Ruhestellung, in welcher die Entladungsschaltvorrichtung 222 das elektrochemische Element 106 über die Schaltvorrichtung 210 mit dem zweiten Zellterminal 114 und somit mit der Schaltungsanordnung 204 verbindet, in eine in 24 dargestellte Arbeitsstellung, in welcher die Entladungsschaltvorrichtung 222 das elektrochemische Element 106 in einen Entladungskreis 214 schaltet, überführbar ist.
Der Entladungskreis 214 umfasst eine Entladungsleitung 218 und einen in der Entladungsleitung 218 angeordneten strombegrenzenden Widerstand 216, wobei die Entladungsleitung 218 über den ersten Verbindungsleiter 108 elektrisch leitend mit dem ersten Zellterminal 110 der elektrochemischen Zelle 100 verbunden ist.
Die Entladungsschaltungsvorrichtung 222 ist über eine Verbindungsleitung 224 mit der Schaltvorrichtung 210 verbunden und somit mit der Schaltvorrichtung 210 in Reihe geschaltet.
Vorzugsweise werden die Schaltvorrichtung 210 und die Entladungsschaltvorrichtung 222 im Wesentlichen gleichzeitig durch eine Veränderung eines Drucks im Innenraum 104 des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 und/oder durch eine Änderung einer Temperatur in einem Bereich der elektrochemischen Zelle 100 von ihrer jeweiligen Ruhestellung in ihre jeweilige Arbeitsstellung überführt.
In der in 24 dargestellten Arbeitsstellung der Entladungsschaltvorrichtung 222 wird die im elektrochemischen Element 106 gespeicherte Energie kontrolliert durch Entladung mittels des Entladungskreises 214 abgebaut.
Im Übrigen stimmt die in den 23 und 24 dargestellte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 21 und 22 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 25 und 26 dargestellte weitere Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100, welche in einer elektrochemischen Vorrichtung 202 mit der Schaltungsanordnung 204 aus 20 verwendbar ist, unterscheidet sich von der in den 23 und 24 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass der Entladungskreis 214 zumindest einen Bereich des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 umfasst.
Ferner ist der strombegrenzende Widerstand 216 im Entladungskreis 214 als eine nur begrenzt elektrisch leitfähige Beschichtung an einem Kontakt der Entladungsschaltvorrichtung 222 ausgebildet, welche über die Entladungsleitung 218 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 verbunden ist.
Der Entladungskreis 214 führt über den strombegrenzenden Widerstand 216, die Entladungsleitung 218 und das Gehäuse 102 zu dem ersten Zellterminal 110, welches elektrisch leitend mit dem Gehäuse 102 der elektrochemischen Zelle 100 verbunden ist, so dass das elektrochemische Element 106 in der in 26 dargestellten Arbeitsstellung der Entladungsschaltvorrichtung 222 kontrolliert entladen wird.
Im Übrigen stimmt die in den 25 und 26 dargestellte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 23 und 24 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Elektrochemische Zelle, umfassend eine Schutzvorrichtung (118) zum Unterbrechen eines durch die elektrochemische Zelle (100) führenden elektrischen Leistungspfades (120) im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle (100), wobei die Schutzvorrichtung (118) eine im Leistungspfad angeordnete Kontakteinrichtung (122), die von einem geschlossenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung (122) führende Leistungspfad (120) geschlossen ist, in einen offenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung (122) führende Leistungspfad (120) unterbrochen ist, überführbar ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (118) ein Unterbrechungselement (124), das von einer Ruhestellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung (122) führende Leistungspfad (120) nicht unterbrochen ist, in eine Arbeitsstellung, in welcher der durch die Kontakteinrichtung (122) führende Leistungspfad (120) unterbrochen ist, überführbar ist, ein Zurückhalteelement (126), das das Unterbrechungselement (124) in der Ruhestellung zurückhält und durch Erwärmung deaktivierbar ist, ein Federelement (128), das eine Überführung des Unterbrechungselements (124) von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung antreibt, wenn das Zurückhalteelement (126) deaktiviert ist, und eine Heizvorrichtung (130) zum Erwärmen des Zurückhalteelements (126) im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle (100) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (118) einen Aktivator (132) zum Aktivieren der Heizvorrichtung (130) im Falle einer Überschreitung einer Druckschwelle in der elektrochemischen Zelle (100) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivator (132) ein Umschnappelement (134) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückhalteelement (126) ein Kunststoffmaterial und/oder ein metallisches Material umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückhalteelement (126) ein thermoplastisches Kunststoffmaterial umfasst.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (130) mit dem Zurückhalteelement (126) unmittelbar in Kontakt steht.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückhalteelement (126) durch Formschluss, Stoffschluss und/oder Kraftschluss mit dem Unterbrechungselement (124) gekoppelt ist.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückhalteelement (126) einstückig mit dem Unterbrechungselement (124) ausgebildet ist.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbrechungselement (124) einen Abschnitt des durch die Kontakteinrichtung (122) führenden Leistungspfades (120) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbrechungselement (124) einen elektrisch isolierenden Isolationsabschnitt (171) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbrechungselement (124) einen im Wesentlichen keilförmigen Unterbrechungsabschnitt (182) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinrichtung (122) in ihrem offenen Zustand, in welchem der Leistungspfad (120) durch die Kontakteinrichtung (122) unterbrochen ist, einen Entladungspfad schließt, durch welchen die elektrochemische Zelle (100) entladbar ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Entladungspfad ein Kaltleiter (157) angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinrichtung (122) in ihrem offenen Zustand, in welchem der durch die Kontakteinrichtung (122) führende Leistungspfad (120) unterbrochen ist, einen externen Strompfad schließt, welcher zu einem außerhalb eines Gehäuses (102) der elektrochemischen Zelle (100) angeordneten Kontaktpunkt führt und durch welchen die elektrochemische Zelle (100) entladbar ist.
Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Leistungspfades (120) durch eine Kontakteinrichtung (122) einer elektrochemischen Zelle (100) im Falle eines irregulären Betriebszustands der elektrochemischen Zelle (100), umfassend Folgendes: - Aktivieren einer Heizvorrichtung (130) im Falle eines irregulären Betriebszustandes der elektrochemischen Zelle (100), so dass ein Zurückhalteelement (126), das ein Unterbrechungselement (124) in einer Ruhestellung zurückhält und durch Erwärmung deaktivierbar ist, erwärmt wird; - Überführen des Unterbrechungselements (124) von der Ruhestellung in eine Arbeitsstellung mittels eines Federelements (128), nachdem das Zurückhalteelement (126) deaktiviert worden ist, wobei der durch die Kontakteinrichtung (122) führende Leistungspfad (120) unterbrochen ist, wenn das Unterbrechungselement (124) sich in der Arbeitsstellung befindet.