DE202019100997U1 - Pouch-Zelle mit Schutzfunktion - Google Patents

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Abstract

Pouch-Zelle, umfassend:
eine Tasche;
ein Elektrodenmaterial, das sich in der Tasche befindet; und
eine Sicherheitsschutzvorrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschutzvorrichtung konfiguriert ist, um auf der Grundlage einer Änderung des Gasdrucks innerhalb der Tasche eine Wirkung zu erzeugen.

Description

  • GEGENSTAND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pouch-Zelle, und insbesondere Sicherheitsfunktionen im Zusammenhang mit der Pouch-Zelle.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Der größte Unterschied zwischen einer Pouch-Zelle und einer herkömmlichen Stahl- oder Aluminiumgehäusebatterie besteht darin, dass die Pouch-Zelle aus einem Pouch-Material gebildet ist (Kunststoff-Aluminium-Verbundfilm). Dadurch hat die Pouch-Zelle die folgenden Vorteile: geringes Gewicht, kompakte Abmessungen, flexibles Design und eine beliebige Änderung der Form. Im Falle eines Sicherheitsrisikos bricht die Pouch-Zelle typischerweise, im Gegensatz zu einer Stahl- oder Aluminiumgehäusebatterie, die explodiert.
  • Obwohl jedoch Pouch-Zellen im Allgemeinen nicht explodieren, da sie nicht durch ein ähnlich hartes Gehäuse (Stahlgehäuse/Aluminiumgehäuse) geschützt sind, kann die beschädigte Tasche bewirken, dass Gas, das sich ausgedehnt hat, aus der Tasche ausgestoßen wird. Wenn die Pouch-Zelle gleichzeitig noch Strom für Geräte liefert, die von der Pouch-Zelle versorgt werden, wie beispielsweise für andere Komponenten innerhalb eines Elektrowerkzeugs, kann dies ein Sicherheitsrisiko darstellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Somit besteht ein Bedarf für eine technische Lösung, die die Sicherheit einer Pouch-Zelle weiter verbessern kann.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Pouch-Zelle bereit, die eine Tasche, ein Elektrodenmaterial, das in der Tasche angeordnet ist, und eine Schutzvorrichtung umfasst. Die Schutzvorrichtung ist konfiguriert, um basierend auf einer Änderung des Gasdrucks in der Tasche eine Schutzaktion durchzuführen.
  • In einer bestimmten Ausführungsform umfasst die Pouch-Batterie ferner eine Anodenlasche und eine Kathodenlasche. Die Anodenlasche und die Kathodenlasche erstrecken sich aus der Pouch-Zelle. Die Sicherheitsvorrichtung umfasst eine Stromkreisunterbrechungsvorrichtung. Die Anodenlasche und/oder die die Kathodenlasche sind über die Stromkreisunterbrechungsvorrichtung mit dem Elektrodenmaterial verbunden.
  • Vorzugsweise ist die Stromkreisunterbrechungsvorrichtung ein Trennschalter. Der Trennschalter ist konfiguriert, um die elektrische Verbindung zwischen der Anodenlasche und/oder der Kathodenlasche und dem Elektrodenmaterial zu unterbrechen, wenn der Gasdruck in der Tasche aufgrund der Gasausdehnung einen vorbestimmten Wert erreicht.
  • Noch bevorzugter ist der Trennschalter so konfiguriert, um mechanisch in zwei Teile getrennt zu werden, um die elektrische Verbindung zwischen der Anodenlasche und/oder der Kathodenlasche und dem Elektrodenmaterial zu unterbrechen, wenn der Gasdruck in der Tasche aufgrund der Gasausdehnung den vorbestimmten Wert erreicht.
  • In einer weiteren bestimmten Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung: einen Drucksensor; eine Steuerung, die mit dem Drucksensor verbunden ist; und ein Stellglied, das mit der Steuerung verbunden ist. Das Stellglied ist konfiguriert, um eine Schutzaktion auszuführen, wenn ein von der Steuerung gesendetes Steuersignal empfängt, basierend auf den vom Drucksensor erfassten Gasdruck in der Tasche, der aufgrund der Gasausdehnung einen vorbestimmten Wert erreicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Stellglied ein Alarm. Der Alarm ist ausgebildet, um basierend auf dem Steuersignal einen Alarm an einen Benutzer zu senden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Stellglied ein Schalter. Der Schalter ist konfiguriert, um eine elektrische Verbindung zwischen der Anodenlasche und/oder der Kathodenlasche und dem Elektrodenmaterial gemäß dem Steuersignal zu unterbrechen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt entsprechende Sicherheitsschutzmechanismen bereit, die auf den Ausdehnungseigenschaften der Pouch-Zelle bei hohen Temperaturen oder Überladung beruhen. Solche Ausdehnungseigenschaften beziehen sich insbesondere auf eine Erhöhung des Volumens des in einer Pouch-Zelle enthaltenen Gases aufgrund einer Temperaturänderung, die durch eine hohe Temperatur oder eine Überladung verursacht wird. Die Änderung des Gasvolumens führt zu einem Anstieg des Drucks innerhalb des festen Volumens in der Tasche, und ein solcher Druck kann verwendet werden, um den Stromkreis zu unterbrechen, um dadurch die innere Schaltung der Pouch-Zelle zu unterbrechen. Auf diese Weise kann selbst dann, wenn die Pouch-Zelle fehlerhaft ist, die innere schaltung rechtzeitig abgeschaltet werden, um zu verhindern, dass den externen Vorrichtungen unter fehlerhaften Bedingungen Strom zugeführt wird. Dieser Schutzmechanismus ist vollständig in die Pouch-Zelle integriert und erfordert keine zusätzlichen Komponenten, die außerhalb der Pouch-Zelle angeordnet werden müssen. Daher kann die Pouch-Zelle der vorliegenden Erfindung unabhängig davon, wie die elektronische Vorrichtung montiert ist, ihre Sicherheitsfunktion ausüben, ohne an die elektronische Vorrichtung gebunden zu sein. Zusätzlich zum Abschalten des Stromkreises kann die Pouch-Zelle der vorliegenden Erfindung auch konfiguriert sein, um den Benutzer zu warnen, sodass der Benutzer die Fehlerhaftigkeit der Pouch-Zelle erkennt und den Zustand rechtzeitig beseitigen kann.
  • Figurenliste
  • Die Wirkung oder Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf den verbleibenden Teil der Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen besser verstanden; in den Zeichnungen sind die Bezugszeichen der gleichen Komponente gleich. In einigen Fällen wird nach einem Bezugszeichen und einem Trennungsstrich eine zusätzliche Kennzeichnung vorgesehen, um eine von vielen verschiedenen Komponenten zu kennzeichnen. Wird auf ein Bezugszeichen, aber nicht speziell auf eine vorhandene zusätzliche Kennzeichnung Bezug genommen, bezieht es sich auf alle diese ähnlichen Komponenten.
    • 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Pouch-Zelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2a zeigt eine schematische Ansicht, die die Innenstruktur der Pouch-Zelle der 1 darstellt, in der der Trennschalter nicht getrennt ist.
    • 2b zeigt eine schematische Ansicht, die die Innenstruktur der Pouch-Zelle der 1 darstellt, in der der Trennschalter aufgrund des Ausdehnungseffekts getrennt ist.
    • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Innenkomponente der Pouch-Zelle nach der Entfernung ihrer Tasche gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In den Ausführungsformen der Erfindung kann die Schaltung innerhalb der Pouch-Zelle automatisch entsprechend dem Ausdehnungseffekt der Pouch-Zelle aufgrund einer hohen Temperatur oder Überladung unterbrochen werden, um dadurch zu verhindern, dass ein Unfall auftritt. Weitere unterschiedliche Vorteile Vorzüge, die sich aus den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben, sind aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
  • In 1 ist eine Pouch-Zelle 22 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Pouch-Zelle 22 umfasst eine Tasche 26 als Außenhülle mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form. Ein vorderes Ende 28 der Tasche 26 wird durch Einschneiden und Falten des Taschenmaterials gebildet. Die Tasche 26 ist beispielsweise ein Kunststoff-Aluminium-Verbundfilm. Die Anodenlasche und eine Kathodenlasche 20, 24 erstrecken sich jeweils aus dem vorderen Ende 28, um das Verbinden der Pouch-Zelle 22 mit externen Geräten (nicht dargestellt), wie beispielsweise einem Elektrowerkzeug, zu erleichtern. Die obige Struktur der Pouch-Zelle 22 ist dem Fachmann gut bekannt und wird hierin nicht beschrieben.
  • Im Nachfolgenden werden 2a-2b beschrieben. Es ist zu erkennen, dass das Elektrodenmaterial 34 in der Tasche 26 der zuvor beschriebenen Pouch-Zelle 22 aufgenommen wird. Dem Fachmann ist gut bekannt, dass das Elektrodenmaterial 34 ein Anodenmaterial, ein Kathodenmaterial, einen Separator usw. (nicht alle dargestellt) umfasst. Zwischen dem Elektrodenmaterial 34 und der Innenfläche der Tasche 26 ist ein Spalt 32 in wenigstens einem Abschnitt der Fläche der Tasche 26 vorhanden. Das bei der Bildung im Herstellungsprozess der Pouch-Zelle 22 erzeugte Gas befindet sich im Spalt 32. Das Elektrodenmaterial ist mit der Anodenlasche und der Kathodentasche der Pouch-Zelle 22 verbunden. Der Klarheit halber ist nur die Anodenlasche 20 in den 2a und 2b gezeigt, und die kathodenlasche ist nicht gezeigt. Die Anodenlasche 20 weist ein Ende auf, das sich aus der Tasche 26, wie zuvor beschrieben, erstreckt, insbesondere aus dem vorderen Ende 28 der Tasche 26. Die Anodenlasche 20 wird durch das vordere Ende 28 mit Hilfe des Laschenfilms 36 in der Nähe des vorderen Endes 28 der Tasche 26 gehalten. Wie in 2a gezeigt, ist das andere Ende der Anodenlasche 20 innerhalb der Tasche 26 (d. h. das von dem vorderen Ende 28 der Tasche 26 entfernte Ende) mit Klebstoff 38, der elektrisch leitend ist, an dem Elektrodenmaterial 34 befestigt. Eine Oberfläche des anderen Endes der Anodenlasche 20 ist mit dem Elektrodenmaterial 34 verbunden, und die andere Fläche ist mit der Innenfläche der Tasche 26 durch Schweißen oder dergleichen verbunden. Die Anodenlasche 20 und der zuvor beschriebene Klebstoff 38 bilden zusammen die Schutzvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, und bilden insbesondere einen Trennschalter.
  • Im Nachfolgenden wird die Sicherheitsschutzfunktion der zuvor beschriebenen Pouch-Zelle 22 beschrieben. 2 zeigt einen Zustand, in dem die Pouch-Zelle 22 normal arbeitet. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Pouch-Tasche 22 keine hohe Temperatur oder wird nicht überladen, sodass sich das Gas in dem Innenraum 32 der Tasche 26 nicht ausdehnt. Somit befindet der Trennschalter der Pouch-Zelle 22 in einem EIN-Zustand und ist nicht getrennt. Wie in 2a gezeigt, verbindet der Klebstoff 38 die Anodenlasche 20 mit dem Elektrodenmaterial 34, und es besteht eine elektrische Verbindung zwischen ihnen. Andererseits ist die Anodenlasche 20 auch fest mit der Innenfläche der Tasche 26 verbunden. Wenn die Pouch-Zelle 22 einer hohen Temperatur oder einer Überladung ausgesetzt wird, dehnt sich das Gas im Innenraum 32 der Tasche 26 aus. Dieser Effekt ist auch als Ausdehnungseffekt bekannt. Die Ausdehnung des Gases bewirkt, dass sich sein Volumen erhöht, und es wird ein Druck auf den Rand des Innenraums 32 ausgeübt. Ein solcher Druck bewirkt, dass sich die Tasche 26 verformt, da die Tasche 26 aus einem Material hergestellt ist, das leicht gebogen werden kann. Wenn sich die Tasche 26 auf einer Seite des Innenraums 32 verformt, nimmt der Abstand zwischen diesem Abschnitt der Tasche 26 und dem Elektrodenmaterial 34 auf der anderen Seite des Innenraums 32 zu, wodurch eine Zugkraft auf den zuvor erwähnten Trennschalter ausgeübt wird. Insbesondere führt eine solche Zugkraft dazu, dass der Klebstoff 38 nicht mehr hinreichend haftet, um die Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial 34 und der Anodenlasche 20 aufrechtzuerhalten, wodurch sich die beiden trennen würden. Dies ist am deutlichsten aus der 2b ersichtlich. Da das Elektrodenmaterial 34 und die Anodenlasche 20 nicht länger miteinander verbunden sind, wird gleichzeitig auch die elektrische Verbindung zwischen ihnen unterbrochen. Dadurch wird die Pouch-Zelle 22 nicht mehr von außen mit Strom versorgt, wodurch die Sicherheit der elektrischen Vorrichtung gewährleistet ist.
  • Im Nachfolgenden wird auf 3 Bezug genommen. Eine Pouch-Zelle 22 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Leiterplatte 122 und ein Elektrodenmaterial 134. Eine Steuerung und ein Stellglied (beide nicht dargestellt) sind auf der leiterplatte 122 montiert. Ein Ende des Drucksensors 142 ist zwischen unterschiedlichen Schichten in dem Elektrodenmaterial 134 angeordnet und das andere Ende des Drucksensors 142 ist mit der Steuerung verbunden. Somit kann der Drucksensor 142 die erfassten Druckdaten innerhalb der Pouch-Zelle 122 an die Steuerung übertragen. Das Stellglied kann ein Alarm sein, der den Benutzern einen optischen oder akustischen Alarm anzeigt, oder ein Schalter, der den internen Stromkreis der Pouch-Zelle 122 unterbrechen kann. Die Steuerung, das Stellglied und der Drucksensor, die zuvor beschrieben sind, bilden in dieser Ausführungsform die Sicherheitsschutzvorrichtung. Wenn die Pouch-Zelle 122 während der Verwendung keine hohe Temperatur oder Überladung erzeugt, dehnt sich das Gas in der Pouch-Zelle 122 nicht aus. Somit erfasst der Drucksensor 142 keine Druckanomalie, und die Steuerung steuert das Stellglied nicht, um einen Vorgang durchzuführen.
  • Wenn die Pouch-Zelle 122 einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, oder überladen wird, nimmt die Gasausdehnung in dieser aufgrund des Gasvolumens zu und es wird Druck erzeugt. Ein solcher Druck erzeugt ein Zusammendrücken des Drucksensors 142, und die erfassten Echtzeitdruckdaten werden von den Drucksensoren 142 an die Steuerung weitergeleitet. Wenn der vom Drucksensor 142 erfasste Echtzeitdruck größer als ein vorgegebener Wert ist, steuert die Steuerung das Stellglied, um einen Vorgang durchzuführen. Handelt es sich bei dem Stellglied beispielsweise um einen Alarm, wird es angesteuert, um einen Alarm zu erzeugen. Ist das Stellglied ein Schalter, erfolgt eine Ansteuerung zur Trennung, um die innere Schaltung der Pouch-Zelle 233 zu unterbrechen, um einen Sicherheitsschutz zu erreichen.
  • Nachdem zuvor mehrere Ausführungsformen beschrieben wurden, versteht der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen, weitere Strukturen und Äquivalente verwendet werden können, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollte die vorstehende Beschreibung nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung angesehen werden, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.
  • Die in der obigen Ausführungsform beschriebene Schutzvorrichtung kann beispielsweise ein Trennschalter oder ein Stellglied, das durch eine Steuerung gesteuert wird, auf einer Leiterplatte usw. sein. Jedoch versteht der Fachmann, dass andere Arten von Schutzvorrichtungen ebenfalls unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen, solange die Schutzvorrichtung in der Lage ist, entsprechende Schutzmaßnahmen auf der Grundlage des Gasdrucks in der Pouch-Zelle durchzuführen.
  • Darüber hinaus ist in der in den 2a-2b gezeigten Pouch-Zelle 22 nur der Trennschalter gezeigt, an dem die Anodenlasche befestigt ist. Jedoch sollte beachtet werden, dass dies nicht bedeutet, dass nur die Anodenlasche mit dem Trennschalter verbunden werden kann. Im Gegensatz dazu kann nur die Kathodenlasche mit dem Trennschalter in der Pouch-Zelle verbunden sein, oder die Anodenlasche und die Kathodenlasche können mit deren entsprechenden Trennschalter gleichzeitig verbunden sein. Solche Strukturen können vom Fachmann im Hinblick auf die spezifischen Bauanforderungen variiert werden.

Claims (7)

  1. Pouch-Zelle, umfassend: eine Tasche; ein Elektrodenmaterial, das sich in der Tasche befindet; und eine Sicherheitsschutzvorrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschutzvorrichtung konfiguriert ist, um auf der Grundlage einer Änderung des Gasdrucks innerhalb der Tasche eine Wirkung zu erzeugen.
  2. Pouch-Zelle nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Anodenlasche und eine Kathodenlasche, die sich von der Tasche aus erstrecken; wobei die Sicherheitsschutzvorrichtung eine Stromkreisunterbrechungsvorrichtung umfasst; wobei die Anodenlaschen und/oder die Kathodenlasche über die Stromkreisunterbrechungsvorrichtung mit dem Elektrodenmaterial verbunden ist.
  3. Pouch-Zelle nach Anspruch 2, wobei die Stromkreisunterbrechungsvorrichtung ein Trennschalter ist, der konfiguriert ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Anodenlaschen und/oder der Kathodenlasche und dem Elektrodenmaterial zu unterbrechen, wenn der Gasdruck in der Tasche aufgrund der Gasausdehnung einen vorbestimmten Wert erreicht.
  4. Pouch-Zelle nach Anspruch 3, wobei der Trennschalter konfiguriert ist, um mechanisch in zwei Teile getrennt zu werden, um die elektrische Verbindung zwischen der Anodenlaschen und/oder der Kathodenlaschen und dem Elektrodenmaterial zu unterbrechen, wenn der Gasdruck in der Tasche aufgrund der Gasausdehnung den vorbestimmten Wert erreicht.
  5. Pouch-Zelle nach Anspruch 1, wobei die Sicherheitsschutzvorrichtung umfasst: einen Drucksensor; eine mit dem Drucksensor verbundene Steuerung; und ein Stellglied, das mit der Steuerung verbunden ist; wobei das Stellglied konfiguriert ist, um eine Schutzaktion auszuführen, wenn es ein von der Steuerung gesendetes Steuersignal empfängt, basierend auf den vom Drucksensor erfassten Gasdruck in der Tasche, der aufgrund der Gasausdehnung einen vorbestimmten Wert erreicht.
  6. Pouch-Zelle nach Anspruch 5, wobei das Stellglied ein Alarm ist, der konfiguriert ist, um basierend auf dem Steuersignal einen Alarm an einen Benutzer zu senden.
  7. Pouch-Zelle nach Anspruch 5, wobei das Stellglied ein Schalter ist, der konfiguriert ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Anodenlaschen und/oder der Kathodenlasche und dem Elektrodenmaterial gemäß dem Steuersignal zu unterbrechen.
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