JP6866100B2 - 電池システムの使用時の安全性を高めるための装置 - Google Patents

電池システムの使用時の安全性を高めるための装置 Download PDF

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Description

本発明は、独立請求項の前提部分に記載の装置、電池、特にリチウムイオン電池、及び電池の使用法に関する。
電池に欠陥がある場合、又は電池を不適切に取り扱った場合には、電池において電池内部にガス発生が起こる場合がある。このガス発生によって過圧が生じる。生じたガスを排出し、電池に熱が入り込むことを回避するために、電池のケーシング内に圧力逃し弁又はバーストディスクを設けることが既知である。
例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０５３０１１号明細書には、蓄電池のためのガルバニ電池が開示されており、このガルバニ電池では、ガルバニ電池の望ましくない状態を検出することができるセンサ装置が設けられている。適切なセンサ装置としては、例えば、温度測定装置、圧電素子、抵抗線ひずみゲージ、又は他の測定装置が挙げられる。特にこれら他の測定装置は、例えば電池の内部にガスが発生し、これに伴い圧力が上昇した場合にケーシングの変形を検出するために用いられる。
さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１１１２６４１号明細書には、リチウムイオン電池を機能性に関して試験する方法が開示されており、この方法では、電池のケーシングの所定の箇所に衝撃が加えられ、これにより音響が生じる。この音響は、電池の外部に配置されたマイクロホンによって受信される。受信されたマイクロホンの信号から電池の状態が推定される。
さらに、米国特許出願公開第２００７／１２２６９１号明細書には、圧電素子と共に共通のフレーム内に配置された電池が開示されている。圧電素子は、電池の異常動作に起因する電池の膨張を検出するために適している。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０５３０１１号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１１１２６４１号 米国特許出願公開第２００７／１２２６９１号
本発明は、電池、特にリチウムイオン電池に関し、電池は複数の接触センサ素子を備え、接触センサ素子は、接触センサ素子に接触するか、又は接触センサ素子に圧力を加える要素を検出する。
本発明の核心は、接触センサ素子が互いに電気絶縁されていることである。
接触センサ素子が互いに電気絶縁されているという本発明の事情により、要素が接触センサ素子に接触しているか、又は接触センサ素子に圧力を加えている正確な場所を決定することができる。接触センサ素子に接触しているか、又は接触センサ素子に圧力を加えている要素は、例えば金属の物体、特に釘であってもよい。金属の物体は、電池のケーシングを貫通して電池の内部に貫入することができる。この場合、導電性の物体は、電池に貫入することにより、電池の安全性を脅かす状態を誘起する場合がある。このような安全性を脅かす状態は、例えば、電池の内部で電気的短絡が生じるか、又は物質が電池から電池の周辺に無制御に到達してしまうか、又は物質が電池の内部に入り込んでしまうことである。
圧力を加える要素が電池の機械的変形、及び特に電池のケーシングの機械的変形を誘起する場所がわかっているという事情に基づいて、意図的に措置を開始することができる。
意図的に開始される措置は、電池を安全な状態に移行させることが望ましい。電池の安全な状態は、電池の周辺の人又は物体に対する危険が防止された場合に得られる。電池を安全な状態に移行するためには、例えば、電池の放電又は電池の電気的なブリッジを行うことができる。さらに、電池の個々の構成要素の電気的なブリッジを行うこともできる。電池の個々の構成要素は、例えば電池の個々の電極巻回体である。さらに、例えば電池のケーシング、及び場合によっては電池の内部が、圧力を加える要素によって機械的に変形及び損傷された場所において補修措置を講じることができる。
電池の機械的変形が生じた場所がわかっていることにより、安全性に関する措置を効率的に開始し、実行することができる。
本発明の背景技術は、電池の周辺における安全性を高め、電池の安全性を脅かす状態の発生を防止し、安全性を脅かす状態の影響を低減することである。
電池の安全性を脅かす状態は、例えば電池が損傷された場合に生じる。例えば、導電性の物体が電池に貫入することにより、電池の内部に電気的短絡が誘起される場合がある。さらに、物質が電池から不都合に放出される場合もある。安全性を脅かす状態に伴い、電池周辺の人又は物体が損傷される可能性が増大する。
さらに本発明は、電池システム又は車両、特に自動車における電池の使用法に関する。
本発明の他の有利な実施形態が従属請求項の対象である。
本発明の好ましい一実施形態によれば、電池のケーシングと接触センサ素子との間には絶縁層が配置されている。
電池のケーシングと接触センサ素子との間に絶縁層が配置されているという本発明の事情により、ケーシングと導電接続できるこのような接触センサ素子を使用することができる。圧力を加える要素が導電性の物体である場合には、圧力を加える要素が絶縁層を貫通し、接触センサ素子とケーシングとを物理的に結合すると、接触センサ素子とケーシングとの間に導電接続が形成される。
本発明の次の好ましい実施形態によれば、絶縁層はポリイミド及び／又はポリエチレンテレフタレートにより形成されている。絶縁層がポリイミド及び／又はポリエチレンテレフタレートにより形成されているという本発明の事情により、機械的負荷に対して特に堅牢であり、電解質に対して耐性があり、溶媒を放出しない絶縁層が提供される。
本発明の次の好ましい実施形態によれば、絶縁層は３０μｍから１２０μｍまで、特に２０μｍから１２０μｍまで、好ましくは１０μｍから１２０μｍまでの厚さを備える。
本発明の次の好ましい実施形態によれば、接触センサ素子は、互いに２ｍｍから３ｍｍまでの間隔をおいて配置されている。
接触センサ素子が互いに２ｍｍから３ｍｍまでの間隔をおいて配置されているという本発明の事情により、上記要素が電池に圧力を加えた場所を正確に決定することができる。
本発明の次の好ましい実施形態によれば、接触センサ素子は、ニッケル、銅、又はアルミニウムにより形成されている。
接触センサ素子がニッケル又は銅により形成されているという本発明の事情により、高い導電性を備える特に感度のよい材料を提供することができる。材料が高い導電性を備えることにより、導電接続によって接触センサ素子とケーシングとの間を流れる小さい電流をも検出することができる。例えば、検出することのできる小さい電流は、１ｍＡ〜１０ｍＡである。
本発明の次の好ましい実施形態によれば、接触センサ素子は薄膜として絶縁層に配置されている。
接触センサ素子が薄膜として絶縁層に配置されているという本発明の事情により、スペースを節約して電池の様々な箇所で接触センサ素子を使用することができる。薄膜の形式で配置された接触センサ素子は、さらに薄膜の機械的柔軟性に基づいて機械的作用に対して堅牢である。機械的な作用は、例えば衝撃であってもよい。さらに薄膜はわずかな手間により絶縁層に配置し、必要に応じて容易に交換することができる。
本発明の次の好ましい実施形態によれば、接触センサ素子はケーシングの内部又は外部に配置されている。
接触センサ素子がケーシングの外部に配置されているという本発明の事情により、圧力を加える要素の検出は、圧力を加える要素が、絶縁層を貫通することにより接触センサ素子とケーシングとを導電接続したが、ケーシング自体をまだ貫通していない時点で既に行われる。これにより、ケーシングの機械的変形、及びこれに関連した電池の損傷が生じる前の時点で既に電池を安全な状態に移行するための措置を開始することができる。安全性に関連した措置は、例えば電池の完全な放電であってもよいし、又は電流バイパスの配設であってもよい。接触センサ素子がケーシングの内部に配置されているという本発明の事情により、接触センサ素子及び絶縁層は、ケーシング自体によって機械的作用及び汚染から保護されている。これにより、接触センサ素子及び絶縁層の利用可能性はさらに高まる。
本発明の次の好ましい実施形態によれば、接触センサ素子は、評価電子機器及び／又は安全に関連した機能を開始するための安全ユニットに接続されている。評価電子機器によって、接触センサ素子によって生成された信号を評価し、さらに処理することができる。評価電子機器によって、特に安全ユニットを制御することができる。代替的には、安全ユニットは接触センサ素子によって生成された信号を直接に評価し、さらに処理することもできる。安全ユニットは、例えば電流バイパスの配設又は電池の完全な放電を引き起こすこともできる。
次に実施例に基づいて本発明を説明する。これらの実施例から本発明の他の特徴が明らかになるが、本発明の範囲はこれらの特徴に限定されていない。
本発明による電池の第１実施形態を示す概略図である。 本発明による電池の第２実施形態を示す概略的である。
図１は、本発明による電池の第１実施形態を概略的に示す。この電池はＢＺにより示されている。電池ＢＺは、特にリチウムイオン電池であってもよい。Ｓによって接触センサ素子が示されており、接触センサ素子Ｓは、接触センサ素子Ｓに接触しているか、又は接触センサ素子Ｓに圧力を加える要素を検出するために適している。
接触センサ素子ＳとケーシングＧとの間には、電気絶縁性の絶縁層が配置されている。電気絶縁性の絶縁層はＩにより示されている。
接触センサ素子Ｓは、特に導電性の物体であってもよい。この導電性の物体は、この導電性の物体の貫入により、Ｇにより示した導電性のケーシングに電気的に接続することができる。貫入する導電性の物体はＮにより示されている。ケーシングＧを貫通する導電性の物体Ｎは、特に、ケーシングＧ及び絶縁層Ｉを貫通し、電池ＢＺに貫入できる釘、又は他の金属的な物体であってもよい。
電池ＢＺの内部には個々の電極巻回体が配置されている。個々の電極巻回体はＥＷにより示されている。
個々の接触センサ素子Ｓは互いに電気接続されておらず、電子評価ユニットとの個々の接続を使用できるので、導電性の物体Ｎが電池ＢＺに貫入した場合に、所定の接触センサ素子Ｓを電気的に検出することができる。
ケーシングＧと所定の接触センサ素子Ｓとの間の電気的な接続が、まさに導電性の物体ＮがケーシングＧを貫通する場所に形成されることがその背景にある。したがって、所定の接触センサ素子Ｓに基づいて、導電性の物体ＮがどこでケーシングＧ及び絶縁層Ｉを通って接触センサ素子Ｓまで貫通したかを決定することができる。評価電子機器及び／又は安全関連機能を開始するための安全ユニットによって、ケーシングＧが損傷されたケーシングＧの場所において、安全に関連した措置を開始することができる。したがって、この場所では、例えばケーシングＧの損傷後にすぐに修復措置を開始することができる。さらに、どの電極巻回体ＥＷが導電性の物体Ｎによって恐らく損傷されたかを直接に決定することができる。
図２は、本発明による電池ＢＺの第２実施形態を概略的に示す。Ｇによって、電池ＢＺのケーシングが示されている。Ｉによって電池ＢＺの電気絶縁性の絶縁層が示されている。Ｓによって接触センサ素子が示されており、接触センサ素子Ｓは、接触センサ素子Ｓに接触しているか、又は接触センサ素子Ｓに圧力を加える要素を検出するために適している。特に、接触センサ素子Ｓは、導電性の物体を介してケーシングＧとの導電接続を形成するために適している。他の導電性の物体は、例えば釘、又は他の金属的な物体であってもよい。
図２には、さらに導電性の物体が接触センサ素子ＳとケーシングＧとの間の導電接続を引き起こした場所を決定するための可能な電気回路が示されている。
Ｒによってオーム抵抗が示されている。この実施形態によれば、ケーシングＧは電極巻回体ＥＷの正極に接続されている。
接触センサ素子ＳとケーシングＧとの間の電気接続は高抵抗により設計されており、電圧タップＵ１，Ｕ２及びＵ３には電池ＢＺの正規の電圧が印可される。導電性の物体が接触センサ素子ＳとケーシングＧとを導電接続した場合には、低抵抗の接触が接触センサ素子ＳとケーシングＧとの間に形成される。これにより、それぞれの電圧タップＵ１，Ｕ２又はＵ３には、他の２つの電圧タップよりも明らかに小さい電圧が印可される。より小さい電圧がこの電圧タップに印可されていることにより、ケーシングＧのどの箇所で貫通が起こったのか、どの電極巻回体ＥＷがこの貫通によっておそらく被害を受け、損傷されたかを電子回路によって決定することができる。
ＢＺ 電池
ＥＷ 電極巻回体
Ｇ ケーシング
Ｉ 絶縁層
Ｎ 物体
Ｓ 接触センサ素子
Ｕ１ 電圧タップ

Claims (10)

  1. 電池（ＢＺ）、特にリチウムイオン電池であって、電池（ＢＺ）が複数の個々の電極巻回体及び複数の接触センサ素子（Ｓ）を備え、該接触センサ素子（Ｓ）が、接触センサ素子（Ｓ）に接触するか又は接触センサ素子（Ｓ）に圧力を加える要素（Ｎ）を検出する電池（ＢＺ）において、
    接触センサ素子（Ｓ）が互いに電気絶縁され、個々の接触センサ素子が、各々、前記接触センサ素子（Ｓ）と前記電池（ＢＺ）のケーシング（Ｇ）との間の導電接続を引き起こした場所を決定するための電気回路への個々の接続を有し、複数の接触センサ素子のうちの各々の接触センサ素子が複数の個々の電極巻回体のうちの１つの個々の電極巻回体に対応する、電池（ＢＺ）。
  2. 請求項１に記載の電池（ＢＺ）において、
    前記電池（ＢＺ）のケーシング（Ｇ）と前記接触センサ素子（Ｓ）との間に絶縁層（Ｉ）が配置されている電池（ＢＺ）。
  3. 請求項２に記載の電池（ＢＺ）において、
    前記絶縁層（Ｉ）が、ポリイミド及び／又はポリエチレンテレフタレートにより形成されている電池（ＢＺ）。
  4. 請求項２又は３に記載の電池（ＢＺ）において、
    前記絶縁層（Ｉ）が、３０μｍから１２０μｍまで、特に２０μｍから１２０μｍまで、好ましくは１０μｍから１２０μｍまでの厚さを備える電池（ＢＺ）。
  5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の電池（ＢＺ）において、
    前記接触センサ素子（Ｓ）が、互いに２ｍｍから３ｍｍまでの間隔をおいて配置されている電池（ＢＺ）。
  6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の電池（ＢＺ）において、
    前記接触センサ素子（Ｓ）が、ニッケル、銅、又はアルミニウムにより形成されている電池（ＢＺ）。
  7. 請求項２から４までのいずれか一項に記載の電池（ＢＺ）において、
    前記接触センサ素子（Ｓ）が、薄膜として前記絶縁層（Ｉ）に配置されている電池（ＢＺ）。
  8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の電池（ＢＺ）において、
    前記接触センサ素子（Ｓ）が、ケーシング（Ｇ）の内部又は外部に配置されている電池（ＢＺ）。
  9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の電池（ＢＺ）において、
    接触センサ素子（Ｓ）が、安全に関連した機能を開始するための安全ユニットに接続されている電池（ＢＺ）。
  10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の電池（ＢＺ）を電池システム又は車両、特に自動車において使用する使用法。
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