DE102020127417A1

DE102020127417A1 - Elektrischer Energiespeicher mit Schmelzabschnitt aufweisendem Zellverbinder sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020127417A1
Application number: DE102020127417.3A
Authority: DE
Inventors: Steffen Rothe; Axel Scheffler; Rondehl Slater
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit mehreren Speicherzellen (2), die jeweils ein Gehäuse (3), einen Pluspol- und einen Minuspol (7, 8) aufweisen, wobei jedes Gehäuse (3) mit einer Entgasungsöffnung (10) versehen ist, die in einem Normalbetrieb der Speicherzelle (2) verschlossen ist und in einem Fehlerfall beim Überschreiten eines bestimmten Drucks im Gehäuse (3) öffnet; mehreren Zellverbindern (9), die die Speicherzellen (2) miteinander seriell und/oder parallel verschalten, wobei zumindest einige der Zellverbinder (9) einen Schmelzabschnitt (11) aufweisen, die so über Entgasungsöffnungen (10) angeordnet sind, dass im Fehlerfall aus den Entgasungsöffnungen (10) austretendes Gas auf die Schmelzabschnitte (11) trifft. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher mit einem im Fehlerfall unterbrechbaren Zellverbinder. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher.
Die elektrischen Energiespeicher von Elektrofahrzeugen haben immer höhere Energiedichten, die in Zukunft immer komplexere Maßnahmen erforderlich machen können, um ein thermisches Durchgehen der Speicherzellen zu verhindern oder zu verzögern. Bisher wird in einem Fehlerfall des Energiespeichers die Verbindung zwischen den Speicherzellen häufig durch Schmelz- und Sprengsicherungen elektrisch getrennt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung alternative Lösungen zu den bisherigen Sicherungen zu finden. Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein elektrischer Energiespeicher bereitgestellt mit mehreren Speicherzellen, die jeweils ein Gehäuse, einen Pluspol- und einen Minuspol aufweisen, wobei jedes Gehäuse mit einer Entgasungsöffnung versehen ist, die in einem Normalbetrieb der Speicherzelle verschlossen ist und in einem Fehlerfall beim Überschreiten eines bestimmten Drucks im Gehäuse öffnet; mehreren Zellverbindern, die die Speicherzellen miteinander seriell und/oder parallel verschalten, wobei zumindest einige der Zellverbinder einen Schmelzabschnitt aufweisen, die so über den Entgasungsöffnungen angeordnet sind, dass im Fehlerfall aus den Entgasungsöffnungen austretendes Gas auf die Schmelzabschnitte trifft. Dies hat den Vorteil, dass der Entgasungsstahl im Fehlerfall dazu genutzt wird, um den Schmelzabschnitt zu durchschmelzen und somit die elektrische Verbindung des Zellverbinders zu unterbrechen, was wiederum die elektrische Verbindung des Energiespeichers unterbricht. Damit kann eventuell auf elektrische Sensoren und Steuerungen zur Kontaktunterbrechung verzichtet werden. Durch die Unterbrechung des Zellverbinders wird an der Stelle der defekten Speicherzelle die Verschaltung der Vielzahl an Speicherzellen unterbrochen, so dass ein Überspringen der Schädigung auf benachbarte Speicherzellen möglichst verzögert oder verhindert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Schmelzabschnitte jeweils einen Querschnitt, der vollständig in einem Gaskegel eines aus der Entgasungsöffnung austretenden Gases liegt. Das heißt, bezogen auf eine Querschnittsfläche (quer zur Längsrichtung des Zellverbinders), liegt der Querschnitt des Schmelzabschnitts innerhalb eines Gasaustrittskegels des im Fehlerfall austretenden Gases. Somit wird sichergestellt, dass das austretende Gas zunächst auf eine Seite des Schmelzabschnittes trifft, nach und nach den Schmelzabschnitt durchschmilzt und dabei das Material des kompletten Querschnitts erreicht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Schmelzabschnitte jeweils einen Querschnitt, der gegenüber einem Querschnitt angrenzend zum Schmelzabschnitt verringert ist. Dadurch wird das Durchschmelzen des Schmelzabschnittes beschleunigt und vereinfacht, weil der Gasstrahl den Querschnitt des Schmelzabschnitts schneller durchschmelzen kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen dem Gehäuse und dem Schmelzabschnitt jeweils eine Auflage angeordnet ist, die aus hitzebeständigem Material ausgebildet ist und sich vom Material des Gehäuses und vom Material des Schmelzabschnitts unterscheidet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Auflage aus Glimmer oder Keramik. Insbesondere ist das Material der Auflage hitzebeständig und elektrisch isolierend. Glimmer und Keramik haben diese Eigenschaften.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zumindest die Schmelzabschnitte der Zellverbinder aus Aluminium, insbesondere sind die Zellverbinder vollständig aus Aluminium. Aluminium hat den Vorteil, dass es eine relativ geringe Schmelztemperatur von ca. 660°C hat und somit vom im Fehlerfall austretenden Gas, welches ca. 800 bis 1000°C hat, zum Schmelzen gebracht werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Schmelzabschnitte einen Querschnitt auf, der in einer Austrittsrichtung des im Fehlerfall austretenden Gases dicker ist als quer zu einer Längsrichtung des Zellverbinders. Dadurch hat man einerseits den Vorteil eines hohen Querschnitts und damit eines geringen elektrischen Widerstands des Schmelzabschnittes und andererseits ist somit leichter umsetzbar, dass der Querschnitt des Schmelzabschnitts innerhalb des kegelförmigen Gasstrahls liegt.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher bereit.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:

1 zeigt schematisch eine Draufsicht eines Energiespeichers mit mehreren Speicherzellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Speicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 mit mehreren Speicherzellen 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und 2 zeigt eine Seitenansicht der Speicherzelle 2. Die Speicherzellen 2 sind elektrochemische Speicherzellen zum Speichern und Bereitstellen von elektrischer Energie und sind wiederaufladbar. Der elektrische Energiespeicher 1 bzw. die Batterie ist ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis mit einer Vielzahl an Speicherzellen 2, die elektrisch seriell und/oder parallel verbunden sind. Insbesondere sind mehrere Speicherzellen 2 direkt aneinander gestapelt und mechanisch zu einer baulichen Einheit verbunden.
Die Speicherzellen 2 haben jeweils ein Gehäuse 3, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel quaderförmig ist. Die Erfindung kann aber auch bei zylinderförmigen Speicherzellen, sog. Rundzellen, Anwendung finden. Das Gehäuse 3 hat eine Bodenwandung 4, einen Deckel 5 sowie Seitenwandungen 6. Am Deckel 5 (oder alternativ an der Bodenwandung 4) ist ein Pluspol 7 und ein Minuspol 8 vorgesehen, die vom Deckel 5 hervorstehen.
Außerdem ist im Deckel 5 (oder alternativ im der Bodenwandung 4) eine Entgasungsöffnung 10 vorgesehen, welche in einem Normalbetrieb mittels einer Berstmembrane verschlossen ist und somit das Innere des Gehäuses 3 fluiddicht gegenüber der Umgebung des Gehäuses 3 trennt. Die Berstmembrane kann beispielsweise eine Folie, beispielsweise aus Aluminium, sein.
Falls in einem Fehlerfall ein Innendruck des Gehäuses einen bestimmten Druck übersteigt, dann bricht die Berstmembrane und öffnet die Entgasungsöffnung 10, so dass unter Druck stehendes Gas aus der Entgasungsöffnung 10 entweichen kann. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise vorliegen, wenn ein Kurzschluss in der Speicherzelle 2, beispielsweise im Zellwickel, entsteht. Bei einem solchen Kurzschluss wird innerhalb sehr kurzer Zeit sehr viel Energie freigesetzt. In der Regel steigt dadurch der Druck innerhalb der Speicherzelle 2 stark an. Der Schwellwertdruck, ab welchem die Entgasungsöffnung 10 öffnen soll, kann konstruktiv durch Auslegung der Größe der Entgasungsöffnung 10 und der Auslegung der Berstmembrane festgelegt werden. Wenn in einem solchen Fehlerfall Gas aus der Entgasungsöffnung 10 entweicht, dann in der Regel in Form eines ungefähr kegelförmigen Gasstrahls.
Die elektrische Verbindung der Speicherzellen 2 untereinander wird mittels Zellverbindern 9 realisiert. Mit diesen wird einer der Pole 7, 8 einer der Speicherzellen 2 mit einem der Pole 7, 8 einer anderen, insbesondere einer benachbarten, Speicherzelle 2 elektrisch verbunden. Je nach gewünschter Verschaltung wird dabei ein Minuspol 8 mit einem Pluspol 7 verbunden oder es werden zwei Pole 7, 8 gleicher Polarität verbunden. Somit sind üblicherweise die zwei Pole 7, 8 einer Speicherzelle 2 über zwei Zellverbinder 9 mit zwei Polen 7, 8 benachbarter Speicherzellen 2 verbunden. Zumindest einer der Zellverbinder 9 oder beide Zellverbinder 9 sind mit zumindest einem Schmelzabschnitt 11 versehen, der in 1 schematisch als schraffierter Bereich angedeutet ist. Die Schmelzabschnitte 11 sind einstückig, insbesondere monolithisch, mit dem restlichen Zellverbinder 9 ausgebildet. Insbesondere ist der Schmelzabschnitt 11 aus dem gleichen Material wie der restliche Zellverbinder 9, beispielsweise aus Aluminium oder eventuell Kupfer (wenn auch letzteres nicht bevorzugt). Der Schmelzabschnitt 11 ist so ausgebildet, dass ein Durchschmelzen des Zellverbinders 9 an dieser Stelle begünstigt wird. Beispielsweise ist der Querschnitt des Schmelzabschnitts 11 gegenüber dem Querschnitt des Zellverbinders 9 an zum Schmelzabschnitt 11 angrenzenden Stellen reduziert. Dies kann beispielsweise durch geringere Außenabmessungen des Querschnitts des Schmelzabschnitts 11 erreicht werden. Es können aber auch Schlitze, Bohrungen, eine Perforierung oder dergleichen im Bereich des Schmelzabschnitts 11 vorgesehen sein.
Die Zellverbinder 2 sind so angeordnet und geführt, dass der/die Schmelzabschnitt(e) 11 jeweils über einer Entgasungsöffnung 10 angeordnet ist/sind. Mit anderen Worten ausgedrückt führt eine Austrittsrichtung z des im Fehlerfall austretenden Gases durch den Schmelzabschnitt 11 eines zugeordneten Zellverbinders 9. Dabei befindet sich der Querschnitt des Schmelzabschnittes 11 vollständig innerhalb des Gaskegels des Gasstrahls.
Zwischen dem Schmelzabschnitt 11 und dem Gehäusedeckel 5 (oder alternativ der Bodenwandung) ist jeweils eine Auflage 12 angeordnet, die aus hitzebeständigem und elektrisch isolierendem Material ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Auflage 12 aus Glimmer oder Keramik. Diese dient dazu den Zellverbinder 9 abzustützen und eine Berührung zwischen Zellverbinder 9 und Gehäuse 3 zu verhindern. In einem mittleren Bereich ist in der Auflage 12 ein Durchgang für den von der Entgasungsöffnung 10 kommenden Gasstrahl vorgesehen. Alternativ kann die Entgasungsöffnung 10 einschließlich der Berstmembrane in der Auflage 12 ausgebildet sein. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, ist die Auflage 12 so ausgebildet, dass nach einem Aufschmelzen des Schmelzabschnitts 11, die Auflage 12 die Funktion einer Halterung für die nicht abgeschmolzenen Zellverbinderabschnitte übernimmt. Auf diese Weise wird verhindert, dass diese den Gehäusedeckel 5 berühren können.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Elektrischer Energiespeicher (1) mit mehreren Speicherzellen (2), die jeweils ein Gehäuse (3), einen Pluspol- und einen Minuspol (7, 8) aufweisen, wobei jedes Gehäuse (3) mit einer Entgasungsöffnung (10) versehen ist, die in einem Normalbetrieb der Speicherzelle (2) verschlossen ist und in einem Fehlerfall beim Überschreiten eines bestimmten Drucks im Gehäuse (3) öffnet; mehreren Zellverbindern (9), die die Speicherzellen (2) miteinander seriell und/oder parallel verschalten, wobei zumindest einige der Zellverbinder (9) zumindest einen Schmelzabschnitt (11) aufweisen, die so über den Entgasungsöffnungen (10) angeordnet sind, dass im Fehlerfall aus den Entgasungsöffnungen (10) austretendes Gas auf die Schmelzabschnitte (11) trifft.
Elektrischer Energiespeicher (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Schmelzabschnitte (11) jeweils einen Querschnitt haben, der vollständig in einem Gaskegel eines aus der Entgasungsöffnung (10) austretenden Gases liegt.
Elektrischer Energiespeicher (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelzabschnitte (11) jeweils einen Querschnitt haben, der gegenüber einem Querschnitt angrenzend zum Schmelzabschnitt (11) verringert ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Gehäuse (3) und dem Schmelzabschnitt (11) jeweils eine Auflage (12) angeordnet ist, die aus hitzebeständigem Material ausgebildet ist und sich vom Material des Gehäuses (3) und vom Material des Schmelzabschnitts (11) unterscheidet.
Elektrischer Energiespeicher (1) gemäß Anspruch 4, wobei die Auflage (12) aus Glimmer oder Keramik ist.
Elektrischer Energiespeicher (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die Schmelzabschnitte (11) der Zellverbinder (9) aus Aluminium sind.
Elektrischer Energiespeicher (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelzabschnitte (11) einen Querschnitt aufweisen, der in einer Austrittsrichtung (z) des im Fehlerfall austretenden Gases dicker ist als quer zu einer Längsrichtung des Zellverbinders (9).
Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.