DE102020207893A1 - Conductor element of an electrode arrangement from a plurality of electrochemical cells - Google Patents
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Abstract
Ableiterelement einer Elektrodenanordnung von einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, umfassend einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich sowie zweite elektrisch leitfähige Bereiche, wobei die zweiten elektrisch leitfähigen Bereiche jeweils zumindest zwei elektrisch leitfähige fingerartige Elemente umfassen, wobei jeweils eine Elektrode der elektrochemischen Zellen der Elektrodenanordnung, insbesondere eine Anode oder Kathode, mit zumindest zwei der fingerartigen Elementen eines der zweiten Bereiche elektrisch verbindbar ist, wobei der erste elektrisch leitfähige Bereich mit den zweiten elektrisch leitfähigen Bereichen elektrisch verbunden ist und die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zumindest teilweise elektrisch nicht leitend unterbrochen ist, wobei das Ableiterelement aus einem vernickelten Stahl ausgebildet ist.Conductor element of an electrode arrangement of a plurality of electrochemical cells, comprising a first electrically conductive area and second electrically conductive areas, the second electrically conductive areas each comprising at least two electrically conductive finger-like elements, one electrode of the electrochemical cells of the electrode arrangement, in particular an anode or cathode, one of the second areas can be electrically connected to at least two of the finger-like elements, the first electrically conductive area being electrically connected to the second electrically conductive areas and the electrically conductive connection between the first area and the second area being at least partially electrically non-conductive is interrupted, wherein the conductor element is made of a nickel-plated steel.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Ableiterelement einer Elektrodenanordnung von einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, einem Verfahren zur Herstellung eines Batteriesystems mit dem Ableiterelement sowie einer Verwendung des Ableiterelements in elektrischen Energiespeichern gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention is based on a diverter element of an electrode arrangement of a plurality of electrochemical cells, a method for producing a battery system with the diverter element and a use of the diverter element in electrical energy stores according to the preamble of the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
Die am 29.11.2018 veröffentliche Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise umfasst, dass das Ableiterelement einen ersten elektrisch leitfähigen Bereich sowie zweite elektrisch leitfähige Bereiche umfasst, wobei die zweiten elektrisch leitfähigen Bereiche jeweils zumindest zwei elektrisch leitfähige fingerartige Elemente umfassen, wobei jeweils eine Elektrode der elektrochemischen Zellen der Elektrodenanordnung, insbesondere eine Anode oder Kathode, mit zumindest zwei der fingerartigen Elementen eines der zweiten Bereiche elektrisch verbindbar ist, wobei der erste elektrisch leitfähige Bereiche mit den zweiten elektrisch leitfähigen Bereichen elektrisch verbunden ist und die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereichen zumindest teilweise elektrisch nicht leitend unterbrochen ist. Weiterhin ist das Ableiterelement erfindungsgemäß aus einem vernickelten Stahl ausgebildet ist.The procedure according to the invention includes that the conductor element comprises a first electrically conductive area and second electrically conductive areas, the second electrically conductive areas each comprising at least two electrically conductive finger-like elements, with one electrode of the electrochemical cells of the electrode arrangement, in particular an anode or cathode , one of the second areas can be electrically connected to at least two of the finger-like elements, the first electrically conductive area being electrically connected to the second electrically conductive areas and the electrically conductive connection between the first area and the second areas being at least partially electrically non-conductive interrupted . Furthermore, according to the invention, the diverter element is made from nickel-plated steel.
Dadurch können elektrochemische Zellen elektrisch leitend miteinander verbunden werden und elektrischer Strom, insbesondere ein Nennstrom, ohne wesentliche Spannungsverluste zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereichen fließen kann.As a result, electrochemical cells can be connected to one another in an electrically conductive manner and electrical current, in particular a nominal current, can flow between the first region and the second regions without significant voltage losses.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass der vernickelte Stahl insbesondere ein hochreiner, vernickelter Stahl ist, welcher auch unter dem Namen Hilumin bekannt ist.At this point it should be noted that the nickel-plated steel is in particular a high-purity, nickel-plated steel, which is also known under the name Hilumin.
Ein solch vernickelter Stahl weist eine vergleichbar hohe Korrosionsbeständigkeit und eine vergleichbar gute elektrische Leitfähigkeit auf. Weiterhin kann hiermit eine Auslösegeschwindigkeit der Schmelzsicherung merklich erhöht werden; im Vergleich zu reinem Nickel sinkt bspw. die Auslösezeit um etwa 40 Prozent. Durch eine solche zügigere Auslösung nimmt einerseits das Risiko einer thermischen Propagation deutlich ab, wodurch insgesamt die Sicherheit erhöht werden kann. Andererseits könnte aufgrund der solch zügigeren Auslösung auch die Materialstärke des Ableiterelements erhöht werden; im Vergleich zu reinem Nickel könnte die Materialstärke bspw. von 0,2 mm auf 0,3 mm erhöht werden. Ableiterelemente mit einer höheren Materialstärke sind insgesamt mechanisch robuster gegenüber Vibrationen und Schockbelastungen. Weiterhin sind Ableiterelemente mit einer höheren Materialstärke vergleichbar besser schweißbar und können hierbei robustere und zuverlässigere Verbindung ausbilden.Such a nickel-plated steel has a comparably high corrosion resistance and a comparatively good electrical conductivity. Furthermore, a triggering speed of the fuse can be increased noticeably in this way; Compared to pure nickel, for example, the release time is reduced by around 40 percent. Such a more rapid triggering, on the one hand, significantly reduces the risk of thermal propagation, which means that overall security can be increased. On the other hand, the material thickness of the arrester element could also be increased due to the more rapid tripping; Compared to pure nickel, the material thickness could be increased from 0.2 mm to 0.3 mm, for example. Arrester elements with a higher material thickness are overall mechanically more robust against vibrations and shock loads. Furthermore, arrester elements with a higher material thickness are comparably easier to weld and can thereby form more robust and reliable connections.
Ferner ist vernickelter Stahl auch vergleichbar kostengünstig; etwa im Vergleich zu Nickel.Furthermore, nickel-plated steel is also comparably inexpensive; roughly compared to nickel.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the subclaims.
Durch die elektrisch nichtleitenden Unterbrechungen werden Schmelzbereiche gebildet, wodurch eine Stromtragfähigkeit der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereichen reduziert wird.Melting areas are formed by the electrically non-conductive interruptions, as a result of which the current-carrying capacity of the electrically conductive connection between the first area and the second areas is reduced.
Vorteilhafterweise sind die Schmelzbereiche mit Hilfe gängiger Stanz- Biege-Verfahren prozesssicher herstellbar und weisen eine ausreichend hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen, beispielsweise Vibrationen, und Temperaturwechseln auf.Advantageously, the melting areas can be reliably produced with the aid of common stamping and bending processes and have a sufficiently high resistance to mechanical loads, for example vibrations, and temperature changes.
Die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bereich und einem der zweiten Bereiche wird bei einem Überschreiten eines Schwellenwerts des zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich fließenden Stroms unterbrochen. Durch die Schmelzbereiche ist eine Stromtragfähigkeit der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich verringert, so dass mittels der elektrischen Verbindung in Form eines Stegs eine Schmelzsicherung gebildet wird. Die Unterbrechung der elektrischen Verbindung kann beispielsweise in einem Fehlerfall durch ein Aufschmelzen der Schmelzbereiche der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich eigenständig erfolgen.The electrical connection between the first area and one of the second areas is interrupted when a threshold value of the current flowing between the first area and the second area is exceeded. As a result of the melting areas, a current-carrying capacity of the electrical connection between the first area and the second area is reduced, so that a fuse is formed by means of the electrical connection in the form of a web. The interruption of the electrical connection can take place independently, for example in the event of a fault, by melting the melting areas of the electrical connection between the first area and the second area.
Dadurch kann beispielweise während eines abnormen Betriebszustands zumindest eine kurzgeschlossene elektrochemische Zelle von einem Stromkreis abgetrennt werden, wodurch eine weitere Erhitzung zuverlässig verhindert wird. In this way, for example, at least one short-circuited electrochemical cell can be disconnected from a circuit during an abnormal operating state, which reliably prevents further heating.
Dadurch wird gegenüber dem Stand der Technik eine Kettenreaktion mit einer hohen Zuverlässigkeit im Wesentlichen verhindert.As a result, a chain reaction with a high level of reliability is essentially prevented compared to the prior art.
Durch eine geeignete Wahl einer Geometrie der Schmelzbereiche kann die Stromtragfähigkeit an einen jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, also der Schwellenwert des zwischen dem ersten Bereich und den zweiten Bereich maximal zulässigen fließenden Stroms, definiert werden.By suitably selecting a geometry for the melting areas, the current-carrying capacity can be adapted to a particular application, that is to say the threshold value of the maximum permissible current flowing between the first area and the second area can be defined.
Die fingerartigen Elemente weisen zumindest teilweise dritte elektrisch leitfähige Bereich auf, die mit den zweiten elektrisch leitfähigen Bereichen elektrisch verbunden sind.The finger-like elements have at least partially third electrically conductive areas, which are electrically connected to the second electrically conductive areas.
Durch die dritten elektrisch leitfähigen Bereiche ist vorteilhafterweise eine prozesssichere Kontaktierung der zweiten elektrisch leifähigen Bereiche mit elektrochemischen Zellen, insbesondere von Elektroden der elektrochemischen Zellen, mittels der dritten elektrisch leifähigen Bereiche möglich. Die dritten elektrisch leitfähigen Bereiche können vorteilhafterweise für ein Widerstandsschweißverfahren genutzt werden.The third electrically conductive areas advantageously enable process-reliable contacting of the second electrically conductive areas with electrochemical cells, in particular electrodes of the electrochemical cells, by means of the third electrically conductive areas. The third electrically conductive areas can advantageously be used for a resistance welding process.
Vorteilhafterweise sind die Schmelzbereiche zwischen 0,3 und 2 mm, insbesondere 0,5 mm, breit und/oder zwischen 1 und 5 mm, insbesondere 1 mm, lang.The melting areas are advantageously between 0.3 and 2 mm, in particular 0.5 mm, wide and / or between 1 and 5 mm, in particular 1 mm, long.
Vorteilhafterweise sind die Schmelzbereiche zwischen 0,3 und 2 mm, insbesondere 0,75 mm, breit und/oder zwischen 0,5 und 5 mm, insbesondere 1 mm, lang.The melting areas are advantageously between 0.3 and 2 mm, in particular 0.75 mm, wide and / or between 0.5 and 5 mm, in particular 1 mm, long.
Vorteilhafterweise weist das Ableiterelement eine Materialstärke zwischen 0,1 und 5 mm, insbesondere zwischen 0,2 und 0,5 mm, auf.The conductor element advantageously has a material thickness between 0.1 and 5 mm, in particular between 0.2 and 0.5 mm.
Die dritten elektrisch leitfähigen Bereiche weisen vorteilhafterweise eine konvexe oder konkave Form auf. Dadurch wird eine hinreichend kleine Kontaktfläche für einen Schweißstrom bei dem Widerstandsschweißverfahren erreicht. In einer Ausführungsform umfassen die dritten Bereiche einen Buckel, der während des Widerstandsschweißen im Wesentlich zurückverformt wird.The third electrically conductive areas advantageously have a convex or concave shape. As a result, a sufficiently small contact area for a welding current is achieved in the resistance welding process. In one embodiment, the third regions comprise a projection that is substantially deformed back during resistance welding.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Batteriesystems mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen und einem Ableiterelement umfasst folgende Schritte:
- - Herstellung eines Ableiterelements durch:
- - Walzen eines elektrisch leitfähigen Rohlings aus vernickeltem Stahl, wodurch ein erster Bereich des Ableiterelements geformt wird;
- - Stanzen des gewalzten ersten Bereichs, wodurch zweite Bereiche, insbesondere zwei elektrisch leitfähige fingerartige Elemente umfassend, und/oder eine Mehrzahl von elektrisch nichtleitenden Unterbrechungen geformt werden;
- - Einsetzen der Mehrzahl von Zellen in eine Zellhalterung, insbesondere mit abwechselnder Anordnung von Elektroden der Zellen;
- - Einsetzen einer Mehrzahl von Ableiterelementen, um mechanisches Kontaktieren mit den Elektroden;
- - Widerstandsschweißen mittels zumindest zwei die leitfähigen fingerartigen Elemente jeweils eines der zweiten Bereiche zum Kontaktieren der fingerartigen Elemente mit den Elektroden der Zellen zu einer Serienschaltung und/oder Parallelschaltung der Mehrzahl von Zellen;
- - Elektrisches Kontaktieren der Ableiterelemente mit Anschlusspolen des Batteriesystems.
- - Production of an arrester element by:
- Rolling an electrically conductive blank made of nickel-plated steel, whereby a first region of the diverter element is formed;
- - Punching the rolled first area, whereby second areas, in particular comprising two electrically conductive finger-like elements, and / or a plurality of electrically non-conductive interruptions are formed;
- - Insertion of the plurality of cells in a cell holder, in particular with an alternating arrangement of electrodes of the cells;
- Inserting a plurality of diverter elements in order to mechanically contact the electrodes;
- Resistance welding by means of at least two conductive finger-like elements each one of the second areas for contacting the finger-like elements with the electrodes of the cells to form a series connection and / or parallel connection of the plurality of cells;
- - Electrical contact between the arrester elements and the connection poles of the battery system.
In einer alternativen Ausführungsform werden die gestanzten zweiten Bereiche in der Art gebogen, dass mit den zweiten Bereichen elektrisch verbundene dritte Bereiche geformt und mittels Widerstandsschweißen zumindest zwei dritte Bereiche der leitfähigen fingerartigen Elemente jeweils eines der zweiten Bereiche der fingerartigen Elemente mit den Elektroden der Zellen zu einer Serienschaltung und/oder Parallelschaltung der Mehrzahl von Zellen kontaktiert werden.In an alternative embodiment, the punched second areas are bent in such a way that third areas electrically connected to the second areas are formed and at least two third areas of the conductive finger-like elements each form one of the second areas of the finger-like elements with the electrodes of the cells by means of resistance welding Series connection and / or parallel connection of the plurality of cells are contacted.
Vorteilhafterweise kann mittels herkömmlicher Herstellungsverfahren das Batteriesystem mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen und dem erfindungsgemäßen Ableiterelement hergestellt werden. Weiter ist ein hochautomatisierter Herstellungsprozess möglich.The battery system with a plurality of electrochemical cells and the arrester element according to the invention can advantageously be produced by means of conventional production methods. A highly automated manufacturing process is also possible.
Eine Anpassung einer Serienschaltung und/oder einer Parallelschaltung der Mehrzahl von Zellen, ist durch eine einfache geometrische Änderung des Ableiterelements möglich.An adaptation of a series connection and / or a parallel connection of the plurality of cells is possible by a simple geometric change in the arrester element.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Ableiterelement in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs, oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.The arrester element according to the invention is advantageously used in electrical energy storage devices for electric vehicles, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, pedelecs, or e-bikes, for portable devices for telecommunication or data processing, for electrical hand tools or kitchen appliances, as well as in stationary storage devices for storing, in particular, regeneratively obtained electrical energy Uses energy.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the description below.
Es zeigen:
-
1 ein Batteriesystem mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ableiterelements; und -
2 eine schematische Detaildarstellung der ersten Ausführungsform des Ableiterelements; und -
3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ableiterelements; und -
4 eine schematische Darstellung eines Aufschmelzverhaltens der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ableiterelements.
-
1 a battery system with a first embodiment of a diverter element according to the invention; and -
2 a schematic detailed representation of the first embodiment of the diverter element; and -
3 a second embodiment of a diverter element according to the invention; and -
4th a schematic representation of a melting behavior of the first embodiment of the diverter element according to the invention.
Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the exemplary embodiments
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.The same reference symbols denote the same device components in all figures.
Der erste Bereich
In der gezeigten Ausführungsform sind die erste Zelle
Die ersten und zweiten Finger
In der gezeigten Ausführungsform sind die zweite und vierte Zelle
Typische Nennströme fließen ohne wesentliche Spannungsverluste durch die Schmelzbereiche
Diese Trennung erfolgt in serieller Richtung. Eine elektrische Überwachung von Spannungspegeln auf jedem einzelnen Ableiterelement
Beim Widerstandsschweißen kann es dazu kommen, dass ein erheblicher Teil eines elektrischen Stroms von der Elektrode der Zelle
In der gezeigten Ausführungsform ist eine Länge
Eine weitere Erhöhung des elektrischen Widerstands des ersten und des zweiten Fingers des zweiten Bereichs
Der Zellverbinder
Elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem ersten Bereich
Die drei Schmelzbereiche
Der in
Wird der Zellverbinder
Bei drei Schmelzbereichen
Vor Zeitpunkt t0 ist das Ableiterelement
The arrester element is before
Aufgrund eines Fehlers der Zelle zum Zeitpunkt t0, beispielsweise bei einem Kurzschluss der Zelle, erwärmt sich diese und der zweite Bereich
Ab dem Zeitpunkt t1 fließt daher der abnorme Strom nur noch durch die Schmelzbereiche
Ab dem Zeitpunkt t2 fließt der komplette abnorme Strom nun durch den Schmelzbereich
Ab dem Zeitpunkt t3 ist die Zelle von dem Ableiterelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- 2021-06-23 TW TW110122903A patent/TW202205732A/en unknown
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