WO2013064203A1 - Energy storage cell and energy storage device having a plurality of such energy storage cells - Google Patents

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storage cell
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Tim Schaefer
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Li-Tec Battery Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an energy storage cell, in particular an electrochemical energy storage cell, and to an energy storage device having a plurality of such energy storage cells.
  • Electrochemical energy storage devices typically include at least one electrochemical energy storage cell (often referred to as an electrochemical or galvanic cell).
  • an electrochemical energy storage cell has at least one electrode stack with an arrangement of at least two electrodes and an electrolyte arranged between them, which is arranged within a cell envelope or at least partially enclosed by such.
  • the two electrodes or electrode groups of the electrode stack are each connected or formed in an electrically conductive manner with a current conductor, which is arranged at least partially outside the cell envelope and serves to transport electrical energy into the energy storage cell or out of the energy storage cell.
  • the current conductors are in turn each connected to an electrically conductive cell terminal, which serves the electrical connection of the energy storage cell, for example in an energy storage device having a plurality of energy storage cells.
  • the problem with such energy storage cell or devices is the handling of defective or possibly defective systems. If the proper functioning of the energy storage device or its cells is questionable or there is a potential danger, handling (transportation, etc.) by a user is hazardous or even prohibited by law.
  • the energy storage cells contain a critical state of charge with a high voltage value. Similar problems arise in the case of maintenance and repair work on, for example, a vehicle having a battery assembly with such energy storage devices.
  • the energy storage cell of the invention comprises at least one electrode stack disposed within a cell envelope; a first cell terminal, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via at least one first current conductor; and a second cell terminal, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via at least one second current conductor.
  • the energy storage cell further comprises at least one electrical load which is connected in parallel to the at least one electrode stack - -
  • At least one switching device which is connected in series with the at least one electrical load, wherein the at least one switching device is controllable to discharge the at least one electrode stack via the at least one electrical load.
  • the energy storage cell according to the invention has a series connection of at least one electrical load and at least one switching device, wherein the at least one electrical load is connected in parallel to the at least one electrode stack of the energy storage cell.
  • the switching device can be controlled such that the at least one electrode stack is discharged via the at least one electrical load.
  • the energy storage cell and thus an energy storage device with this energy storage cell can be converted into a safe operating state with a low operating voltage. This is for example for the transport of such energy storage devices or for maintenance and repair work, for example on motor vehicles advantage.
  • This advantageous discharge function of the energy storage cell is inventively integrated into the energy storage cell. That the user does not need any additional components that he would have to connect to the energy storage cell or energy storage device for transferring the energy storage cell in a safe state. This simplifies the handling of the energy storage cell or device for the user and thus also increases his safety. Due to the integration of the discharge function in the energy storage cell, there is also the possibility of automatic discharge, in particular by a control device of the energy storage device, without a user having to intervene. This also increases the security for the user and the environment.
  • the inventive construction also opens up the possibility of the energy storage cell or individual energy storage cells within a At least partially discharge energy storage device when needed to reduce their current operating voltage.
  • the individual maximum voltage upper limit of the energy storage cell can be maintained during or after charging processes. In this way, the service life of the individual energy storage cells can be increased.
  • an energy storage device is understood as meaning a device which is capable of picking up, storing and releasing in particular electrical energy, in particular by utilizing electrochemical processes.
  • an energy storage cell is understood within the meaning of the invention, a self-contained functional unit of the energy storage device, which in itself is also able to absorb electrical energy, store and release again, in particular by utilizing electrochemical processes.
  • An energy storage device according to the invention may comprise an energy storage cell or a plurality of energy storage cells.
  • An energy storage cell for example, but not just a galvanic primary or secondary cell (in the context of this application primary and secondary cells are indiscriminately referred to as battery cells and an energy storage device constructed therefrom as a battery or battery assembly), a fuel cell, a high power capacitor or an energy storage cell of another kind be.
  • an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device.
  • electrochemical energy stores are galvanic cells and fuel cells.
  • An electrochemical energy storage cell preferably has an active area or part in which electrochemical conversion and storage processes take place, and a (cell) enclosure for encapsulating the active part from the environment.
  • the active part preferably has an electrode stack which is formed from an electrode arrangement of electrodes, active layers, separator layers and an electrolyte accommodated by the separator layers.
  • the electrodes are preferably plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to one another (prismatic energy storage cells).
  • the electrode assembly may also be wound and have a substantially cylindrical shape (cylindrical energy storage cells).
  • the term electrode stack should also include such electrode coils.
  • the active layers and separator layers may be provided at least partially as self-contained foil blanks or as coatings of the electrodes.
  • the electrolyte of the energy storage cell preferably contains lithium ions.
  • the cell envelope in this context is a device which is suitable for preventing the escape of chemicals from the electrode stack into the environment and for protecting the components of the electrode stack from damaging external influences.
  • the cell envelope may be formed from one or more moldings and / or film-like. Further, the cell envelope may be single-layered or multi-layered.
  • the cell envelope is preferably formed from a gas-tight and electrically insulating material or layer composite.
  • An (electrochemical) energy storage cell is preferably provided with at least two current conductors (at least one first current collector and at least one second current collector). These current conductors are each electrically connected to electrodes of the electrode stack of the energy storage cell or formed by them themselves. Under a current collector is intended in the context of the invention, both a separate component, which with the - -
  • Electrodes of the energy storage cell is electrically conductively connected, as well as understood by the electrodes themselves Stromableiter understood.
  • the current conductors of the energy storage cell each connect the electrode stack to a cell connection, which is in each case arranged at least partially outside the cell envelope.
  • the cell terminals can both be separate components, which are electrically conductively connected to the current conductors, and can also be formed integrally with the current conductors.
  • the cell connections serve as electrical poles of the energy storage cell.
  • the cell connections each serve for the electrical connection of the energy storage cell in an energy storage device or battery arrangement. If the energy storage cell is installed in a metal housing, the first and second cell terminals are preferably electrically insulated from this metal housing; Optionally, one of the two cell connections can also be formed by the metal housing itself.
  • An electrical consumer as part of the energy storage cell is within the meaning of the invention any type of consumer that consumes electrical energy when connected to the electrode stack.
  • the electrical load is preferably an electrical resistor, preferably designed as a PTC thermistor, or a radiator that converts and emits the electrical energy into electromagnetic radiation. In addition to the electromagnetic radiation, the electrical consumer generally also emits heat energy in particular.
  • the electrical load is preferably formed low impedance (order of several milliohms to a few ohms). In this case, it should be distinguished from the electrical load of the energy storage cell in particular an external electrical load which is supplied by the energy storage cell or the entire battery arrangement.
  • the at least one electrical load is preferably dependent on the maximum operating voltage of the energy storage cell, the maximum - -
  • the switching device is to be understood as any type of switching device which can be controlled in such a way that the electrical load is connected to the electrode stack so that the electrode stack discharges via the electrical consumer.
  • the switching device is preferably controlled wirelessly (for example by radio) or is connected to a control device by means of signal lines.
  • the switching device is preferably a switching device that can be switched between a first switching state (for the normal operating state of the energy storage cell) and a second switching state (for discharging the electrode stack). In the context of the invention, however, switching devices with more than two switching states are also possible.
  • switching device in this context includes both switching devices that can be switched only once (in the switching state for discharging the electrode stack), as well as switching devices that between the switching states for the normal operation of the energy storage cell and for discharging the electrode stack (multiple) can be switched back and forth.
  • the switching device preferably includes one, two or more suitable switching elements.
  • the at least one electrode stack comprises one, two or more electrode stacks within the cell envelope.
  • the at least one first current conductor comprises one, two or more current conductors, wherein preferably each of the at least one electrode stack is connected to the first cell terminal via at least one first current conductor.
  • the at least one second current conductor comprises one, two or more current conductors, wherein preferably each of the at least one electrode stack is connected to the second cell terminal via at least one second current conductor.
  • the at least one electrical load comprises one, two - -
  • the at least one switching device comprises one, two or more switching devices.
  • the energy storage cell has a third cell connection, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via the first or the second current conductor.
  • This third cell terminal is connected in series with the at least one electrical load.
  • the at least one switching device may optionally be arranged outside the cell envelope or within the cell envelope. In the case of multiple switching devices, one switching device can also be arranged outside the cell envelope, while another switching device is arranged inside the cell envelope.
  • the at least one switching device can be controlled in such a way that the at least one electrode stack is disconnected from the first or the second cell connection (CID, current interrupt device).
  • the energy storage cell can be taken out of service and be bridged, for example, within an energy storage device.
  • the energy storage cell emits electrical energy, whereby the security for the user and the environment can be further increased.
  • Memory cell can be dispensed with separate bypass circuits outside the energy storage cells in the battery assembly.
  • the at least one switching device may have a switching device for switching on the discharge function and a further switching device for separating the one cell connection or a switching device both for switching on the discharging function and for disconnecting the one cell connection.
  • the separation of the one cell connection from the electrode stack can optionally be effected together with the switching on of the discharge function or separately therefrom.
  • the at least one electrical load may optionally be located at least partially outside the cell envelope or within the cell envelope. In the case of multiple electrical loads, an electrical load may also be disposed at least partially outside the cell enclosure, while another electrical load may be located within the cell enclosure.
  • the at least one electrical load is connected to a cooling device.
  • This cooling device is preferably a cooling device of the energy storage cell, particularly preferably an already existing cooling device of the energy storage cell. The cooling device should in particular limit or prevent heating or overheating of the energy storage cell.
  • the energy storage cell has at least one measuring device for detecting at least one operating parameter of the energy storage cell, which is arranged inside the cell casing, wherein the measuring signals of this at least one measuring device at the third cell connection and possibly the first or second cell connection issue. If the discharge of the energy storage cell - -
  • the measurement signals of the measuring device can be tapped on the third cell connection or on the third and the first / second cell connection in a simple manner.
  • Another measuring connection can preferably be omitted.
  • the at least one operating parameter of the energy storage cell is preferably a temperature within the energy storage cell, a state of charge of the energy storage cell, a pressure within the energy storage cell, a temperature of the electrical consumer and the like.
  • a measuring device for detecting at least one operating parameter can also be provided within the cell envelope if no third cell connection is present.
  • the transmission of the signals of the measuring device preferably takes place wirelessly (for example by radio).
  • the energy storage cell of the present invention is advantageously used in an energy storage device, in particular an electrochemical energy storage device having a plurality of energy storage cells.
  • the energy storage cell then preferably has a control device for driving the switching devices of the energy storage cells.
  • the energy storage cells are each assigned a bridging device for bridging the respective energy storage cell, in particular connected in parallel.
  • the energy storage device has a display device for displaying a charge state and / or a hazardous state of the energy storage cells.
  • This display device is preferably coupled to the control device of the energy storage cell.
  • the states can preferably be given the states "safe", “uncertain” and “potentially” - -
  • the display device comprises optical and / or acoustic display devices.
  • the energy storage cell or energy storage device according to the invention is preferably used in a motor vehicle with an electric drive or a hybrid drive.
  • the invention is described in connection with lithium-ion batteries for the supply of motor vehicle drives. It should be noted, however, that the invention can also be used regardless of the type of battery or regardless of the type of powered drive.
  • FIG. 1 is a simplified block diagram of an energy storage cell according to a first embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a second embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a third embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a fourth embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a fifth embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a sixth embodiment of the present invention; - -
  • FIG. 7 is a simplified block diagram of an energy storage cell according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a simplified block diagram of an energy storage device having a plurality of energy storage cells according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an electronic energy storage cell 10 using the example of a lithium-ion battery according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the energy storage cell 10 has at least one electrode stack 12 arranged within a cell envelope 11. Furthermore, the energy storage cell 10 has a first cell terminal 14 as a negative pole of the cell and a second cell terminal 16 as a positive pole of the cell.
  • the first cell terminal 14 is electrically conductively connected to the electrode stack 12 via a first current conductor 18, and the second cell terminal 16 is electrically conductively connected to the electrode stack 12 via a second current conductor 20, so that the electrode stack 12 of the energy storage cell 10 is connected via the two cell terminals 14, 16 can be charged and discharged.
  • the first current conductor 18 is electrically conductively connected to the second current conductor 20 within the cell envelope 1 1 via an internal connection line 22.
  • this connecting line 22 is a series circuit of an electrical load 24 in the form of a resistor (eg PTC thermistor or PTC resistor) and a switching device 26 is provided in the form of a simple switch.
  • the series circuit of consumer 24 and switching device 26 is connected in parallel to the electrode stack 12.
  • the switching device 26 is open, so that the load 24 is not connected to the electrode stack 12.
  • the energy storage cell 10 can therefore be charged and discharged in a known manner via the first and second cell terminals 14, 16.
  • the energy storage cell 10 can be discharged in a targeted manner without further aids.
  • the switching device 26 is driven closed, so that the load 24 is connected to the electrode stack 12. Through this consumer 24 then flows current from the electrode stack 12, which converts this into heat energy and releases.
  • the Elektrodestapel 12 can be discharged via the load 24, wherein at the two cell terminals 14, 16 no energy is tapped.
  • the electrical load 24 converts the electrical energy from the electrode stack 12 into electromagnetic radiation.
  • the switching device 26 is driven open again to disconnect the load 24 from the electrode stack 12.
  • Fig. 2 shows an electronic energy storage cell 10 according to a second embodiment of the invention.
  • the same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above first embodiment.
  • the energy storage cell 10 of this embodiment additionally includes a cooling device 28, with which the electrical load 24 is connected, that is in thermal contact.
  • the resulting heat during the discharging process via the consumer 24 can thus be dissipated via the cooling device 28. In this way - -
  • the cooling device 28 is a heat sink which is arranged at least partially within the cell envelope 11, or a metal housing around the energy storage cell 10.
  • this energy storage cell 10 correspond to those of the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 3 shows an electronic energy storage cell 10 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
  • the switching device 32 of this energy storage cell 10 is not arranged in the connecting line 22, but at a node of the connecting line 22 with the first current collector 32nd
  • the switching device 32 is configured and controllable such that it closes the connection of the first current conductor 18 to the first cell terminal 14 for normal operation of the energy storage cell 10 and at the same time separates the internal connection line 22 from the first current conductor 18. For discharging the electrode stack 12 via the electrical load 24, this switching device 32 disconnects the first current conductor 18 from the first cell terminal 14 and at the same time closes the connection of the internal connection line 22 to the first current conductor 18. This switching device 32 thus not only discharges the electrode stack 12 switched on via the consumer 24, but at the same time a separation of a cell connection (here the first cell connection - -
  • the switching device illustrated in Fig. 3 may optionally also be provided in addition to the switching device 26 in the internal connection line 26 (see Fig. 1 and 2).
  • this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiments of FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows an electronic energy storage cell 10 according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • the same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
  • the switching device 26 and the electrical load 24 are arranged outside the cell envelope 11.
  • the energy storage cell 10 has a third cell connection 34.
  • This third cell terminal 34 protrudes at least partially out of the cell envelope 1 1 and is connected via a connecting line 36 to the first current conductor 18. Outside the cell envelope 1 1, the third cell connection 34 is connected to the second cell connection 16 via an external connection line 38, in which the series circuit comprising the switching device 26 and the consumer 24 is arranged.
  • the load 24 is connected in parallel to the electrode stack 12 so that it can be discharged via the load 24 when the switching device 26 is driven closed.
  • the arrangement of the electrical load 24 outside the cell envelope 1 1 has over the embodiments with a disposed within the cell envelope 1 1 consumer 24 has the advantage that the heat development of the consumer 24 takes place outside the cell envelope 11 and can be better dissipated.
  • the consumer 24 can be additionally connected to a cooling device.
  • the remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiments of FIGS. 1 to 3.
  • the third terminal 34 can also be connected within the cell envelope 11 to the second current arrester 20, in which case the third terminal 34 outside the cell envelope 1 1 via the external connecting line 38 to the consumer 24 and the switching device 26 is to be connected to the first cell terminal 14.
  • 5 shows an electronic energy storage cell 10 according to a fifth exemplary embodiment of the invention. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
  • the switching device 26 is arranged in the connection line 36 between the third connection 34 and the first current conductor 18 within the cell envelope 11.
  • the electrical load 24 is further arranged in the external connection line 38 between the third cell connection 34 and the second cell connection 16 outside the cell envelope.
  • this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiment of FIG. 4.
  • the load 24 in the lead 36 may be disposed between the third terminal 34 and the first current conductor 18 within the cell sheath 11, while the switching device 26 in the external lead 38 may be disposed between the third cell terminals 34 and the second cell terminal 16 is disposed outside the cell envelope.
  • FIG. 6 shows an electronic energy storage cell 10 according to a sixth embodiment of the invention.
  • the same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
  • the sixth embodiment is based on a combination of the fifth embodiment of Fig. 5 with the third embodiment of Fig. 3.
  • a switching device 32 at the junction between the connecting line 36 and the first current collector 18 is provided.
  • this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiments of FIGS. 1 to 5.
  • Fig. 7 shows an electronic energy storage cell 10 according to a seventh embodiment of the invention.
  • the same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
  • Device 40 for detecting an operating parameter of the energy storage cell (e.g., internal temperature).
  • such a measuring device 40 may be provided in all embodiments of the energy storage cell, but in those with a third cell connection 34 there is a particular advantage. If a third cell connection 34 is present, the measuring device 40 in the cell envelope 1 1 can be connected to the first cell connection 14 and the third cell connection 34 via signal lines 42, 44. Then, the measuring signals of the measuring device 40 during normal operation of the energy storage cell 10, i. when the switching device 26 is openly controlled, it can be tapped off via the first and the third cell connection 14, 34. An additional measuring signal connection to the energy storage cell 10 can thus be dispensed with. The remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiment of FIG. 4.
  • the signal lines 42, 44 of the measuring device 40 may alternatively also be connected to the third cell terminal 34 and the second cell terminal 16. Furthermore, depending on the measuring device 40, it is also conceivable to provide only one signal line 44 to the third cell connection 34.
  • the measuring device 40 can also be used with the energy storage cells 10 shown in FIGS. 4 and 6 with a third cell connection 34.
  • FIG. 8 shows an energy storage device having a plurality of (in this example three) series-connected energy storage cells 10 according to the invention. All energy storage cells 10 have in particular at least one electrode stack 12 and a discharge circuit 24, 26/32.
  • bridging devices 46 are preferably connected in parallel to the energy storage cells 10 in order to "remove" a defective energy storage cell from the series circuit as required and to continue the normal operation of the remaining energy storage cells 10 of the energy storage device to be able to.
  • the energy storage device of FIG. 8 further includes a controller 48.
  • This control device 48 is connected to the energy storage cells 10, in particular to control their switching devices 26, 32 and to tap the measuring signals of their measuring devices 40.
  • this control device 48 possibly also controls the bridging devices 46 to the individual energy storage cells 10.
  • the controller 48 is connected to a display device 50.
  • This display device 50 is intended to indicate to the user of the energy storage device a state of charge of the energy storage cells 10 and in particular also a state of danger of the energy storage device or its energy storage cells 10. Possible hazard states are, for example, "safe”, “potentially unsafe” and “insecure”, which can be displayed to the user as traffic light colors, for example.
  • a discharge process of the electrode stacks 12 of all or only the (possibly) defective energy storage cells 10 is initiated via the control device 48 automatically or by the user - -
  • the drop in the operating charge of an energy storage cell to a sufficiently low level can be determined, for example, if, after an actuation of the switching device 26, 32 a predetermined time interval with an increased temperature at the consumer 24 has expired and then a predetermined temperature drop has occurred.
  • the internal discharge circuits 24, 26/32 of the energy storage cells 10 it is possible to use the internal discharge circuits 24, 26/32 of the energy storage cells 10 to set the plurality of energy storage cells of an energy storage device to a substantially same charge level or to limit a state of charge of the energy storage cells by discharging over a predetermined threshold energy storage cells charged to a certain level become. In this way, the operating life of the energy storage cells 10 can be increased.

Abstract

An energy storage cell (10) has at least one electrode stack (12) which is disposed inside a cell cover (11), a first cell connector (14) which is disposed at least partially outside the cell cover (11) and is electrically conductively connected via at least one first current collector (18) to the at least one electrode stack (12), and a second cell connector (16) which is disposed at least partially outside the cell cover (11) and is electrically conductively connected via at least one second current collector (20) to the at least one electrode stack (12). The energy storage cell (10) also has at least one electrical load (24) for example in the form of a resistor which is connected in parallel to the at least one electrode stack (12), and at least one switching device (26, 32) which is connected in series to the at least one electrical load (24), wherein the at least one switching device (26, 32) can be actuated in order to discharge the at least one electrode stack (12) via the at least one electrical load (24). A third cell connector (34) is preferably also provided, which is disposed at least partially outside the cell cover (11) and is electrically conductively connected via the first or the second current collector (18, 20) to the at least one electrode stack, wherein said third cell connector (34) is connected in series to the at least one electrical load (24).

Description

Energiespeicherzelle und Energiespeichervorrichtung mit mehreren solchen Energiespeicherzellen  Energy storage cell and energy storage device with several such energy storage cells
B e s c h r e i b u n g  Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle, insbesondere eine elektrochemische Energiespeicherzelle, sowie eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren solchen Energiespeicherzellen. The present invention relates to an energy storage cell, in particular an electrochemical energy storage cell, and to an energy storage device having a plurality of such energy storage cells.
Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 117 474.9 vom 2. November 201 1 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Hereby, the entire contents of the priority application DE 10 201 1 117 474.9 of 2 November 201 1 by reference is part of the present application.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen weisen üblicherweise wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (häufig auch als elektrochemische oder galvanische Zelle bezeichnet) auf. Herkömmlicherweise weist eine solche elektrochemische Energiespeicherzelle wenigstens einen Elektrodenstapel mit einer Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten auf, der innerhalb einer Zellumhüllung angeordnet bzw. zumindest teilweise von einer solchen umschlossen ist. Die zwei Elektroden bzw. Elektrodengruppen des Elektrodenstapels sind jeweils elektrisch leitend mit einem Stromableiter verbunden oder ausgebildet, welcher zumindest teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und zum Transport elektrischer Energie in die Energiespeicherzelle oder aus der Energiespeicherzelle heraus dient. Die Stromableiter sind wiederum jeweils mit einem elektrisch leitenden Zellanschluss verbunden, welcher dem elektrischen Anschluss der Energiespeicherzelle zum Beispiel in einer Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen dient. - - Electrochemical energy storage devices typically include at least one electrochemical energy storage cell (often referred to as an electrochemical or galvanic cell). Conventionally, such an electrochemical energy storage cell has at least one electrode stack with an arrangement of at least two electrodes and an electrolyte arranged between them, which is arranged within a cell envelope or at least partially enclosed by such. The two electrodes or electrode groups of the electrode stack are each connected or formed in an electrically conductive manner with a current conductor, which is arranged at least partially outside the cell envelope and serves to transport electrical energy into the energy storage cell or out of the energy storage cell. The current conductors are in turn each connected to an electrically conductive cell terminal, which serves the electrical connection of the energy storage cell, for example in an energy storage device having a plurality of energy storage cells. - -
Problematisch bei solchen Energiespeicherzelle bzw. -Vorrichtungen ist die Handhabung defekter oder möglicherweise defekter Systeme. Wenn die ordnungsgemäße Funktion der Energiespeichervorrichtung oder ihrer Zellen fraglich ist oder eine potentielle Gefährdung durch sie vorliegt, ist die Handhabung (Transport, etc.) durch einen Benutzer gefährlich oder sogar gesetzlich verboten. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Energiespeichervorrichtungen zu beachten, deren Energiespeicherzellen einen kritischen Ladezustand mit einem hohen Spannungswert enthalten. Ähnliche Probleme entstehen im Fall von Wartungs- und Reparaturarbeiten zum Beispiel an einem Fahrzeug mit einer Batterieanordnung mit solchen Energiespeichervorrichtungen. The problem with such energy storage cell or devices is the handling of defective or possibly defective systems. If the proper functioning of the energy storage device or its cells is questionable or there is a potential danger, handling (transportation, etc.) by a user is hazardous or even prohibited by law. In this context, in particular energy storage devices are to be considered, the energy storage cells contain a critical state of charge with a high voltage value. Similar problems arise in the case of maintenance and repair work on, for example, a vehicle having a battery assembly with such energy storage devices.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Energie- Speicherzelle zu schaffen, welche eine sichere Handhabung einer Energiespeichervorrichtung mit insbesondere mehreren solchen Energiespeicherzellen ermöglicht. It is the object of the present invention to provide an improved energy storage cell, which enables safe handling of an energy storage device with in particular a plurality of such energy storage cells.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeicherzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by an energy storage cell having the features of claim 1. Particularly preferred embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Energiespeicherzelle der Erfindung weist wenigstens einen Elektrodenstapel, welcher innerhalb einer Zellumhüllung angeordnet ist; einen ersten Zellanschluss, welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und über wenigstens einen ersten Stromableiter mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist; und einen zweiten Zellanschluss, welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und über wenigstens einen zweiten Stromableiter mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist, auf. Erfindungsgemäß weist die Energiespeicherzelle ferner wenigstens einen elektrischen Verbraucher, welcher parallel zu dem wenigstens einen Elektrodenstapel geschaltet - - The energy storage cell of the invention comprises at least one electrode stack disposed within a cell envelope; a first cell terminal, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via at least one first current conductor; and a second cell terminal, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via at least one second current conductor. According to the invention, the energy storage cell further comprises at least one electrical load which is connected in parallel to the at least one electrode stack - -
ist, und wenigstens eine Schaltvorrichtung, welche in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher geschaltet ist, auf, wobei die wenigstens eine Schaltvorrichtung ansteuerbar ist, um den wenigstens einen Elektrodenstapel über den wenigstens einen elektrischen Verbraucher zu entladen. is, and at least one switching device which is connected in series with the at least one electrical load, wherein the at least one switching device is controllable to discharge the at least one electrode stack via the at least one electrical load.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle weist eine Reihenschaltung aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und wenigstens einer Schaltvorrichtung auf, wobei der wenigstens eine elektrische Verbraucher parallel zu dem wenigstens einen Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle geschaltet ist. Die Schaltvorrichtung ist derart ansteuerbar, dass der wenigstens eine Elektrodenstapel über den wenigstens einen elektrischen Verbraucher entladen wird. Auf diese Weise kann die Energiespeicherzelle und damit eine Energiespeichervorrichtung mit dieser Energiespeicherzelle in einen sicheren Betriebszustand mit einer niedrigen Betriebsspannung überführt werden. Dies ist beispielsweise für den Transport von solchen Energiespeichervorrichtungen oder für Wartungs- und Reparaturarbeiten zum Beispiel an Kraftfahrzeugen von Vorteil. The energy storage cell according to the invention has a series connection of at least one electrical load and at least one switching device, wherein the at least one electrical load is connected in parallel to the at least one electrode stack of the energy storage cell. The switching device can be controlled such that the at least one electrode stack is discharged via the at least one electrical load. In this way, the energy storage cell and thus an energy storage device with this energy storage cell can be converted into a safe operating state with a low operating voltage. This is for example for the transport of such energy storage devices or for maintenance and repair work, for example on motor vehicles advantage.
Diese vorteilhafte Entladefunktion der Energiespeicherzelle ist erfindungsgemäß in die Energiespeicherzelle integriert. D.h. der Benutzer benötigt keine zusätzlichen Komponenten, die er zum Überführen der Energiespeicherzelle in einen sicheren Zustand an die Energiespeicherzelle bzw. Energiespeichervorrichtung anschließen müsste. Dies vereinfacht den Umgang mit der Energiespeicherzelle bzw. -Vorrichtung für den Benutzer und erhöht damit auch seine Sicherheit. Aufgrund der Integration der Entladefunktion in die Energiespeicherzelle besteht auch die Möglichkeit der automatischen Entladung, insbesondere durch eine Steuereinrichtung der Energiespeichervorrichtung, ohne dass ein Benutzer eingreifen muss. Auch hierdurch wird die Sicherheit für den Benutzer und die Umgebung erhöht. This advantageous discharge function of the energy storage cell is inventively integrated into the energy storage cell. That the user does not need any additional components that he would have to connect to the energy storage cell or energy storage device for transferring the energy storage cell in a safe state. This simplifies the handling of the energy storage cell or device for the user and thus also increases his safety. Due to the integration of the discharge function in the energy storage cell, there is also the possibility of automatic discharge, in particular by a control device of the energy storage device, without a user having to intervene. This also increases the security for the user and the environment.
Die erfindungsgemäße Konstruktion eröffnet zudem die Möglichkeit, die Energiespeicherzelle bzw. einzelne Energiespeicherzellen innerhalb einer Energiespeichervorrichtung bei Bedarf zumindest teilweise zu entladen, um deren aktuelle Betriebsspannung zu verringern. So kann beispielsweise die individuelle maximale Spannungsobergrenze der Energiespeicherzelle bei bzw. nach Ladevorgängen eingehalten werden. Auf diese Weise kann die Lebens- dauer der einzelnen Energiespeicherzellen erhöht werden. The inventive construction also opens up the possibility of the energy storage cell or individual energy storage cells within a At least partially discharge energy storage device when needed to reduce their current operating voltage. For example, the individual maximum voltage upper limit of the energy storage cell can be maintained during or after charging processes. In this way, the service life of the individual energy storage cells can be increased.
Die Integration des Entladekreises mit dem elektrischen Verbraucher und der Schaltvorrichtung mit der Energiespeicherzelle ergibt zudem einen sehr kompakten Aufbau. The integration of the discharge circuit with the electrical load and the switching device with the energy storage cell also results in a very compact design.
Unter einer Energiespeichervorrichtung wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Als Energiespeicherzelle wird im Sinne der Erfindung eine in sich abgeschlossene Funktionseinheit der Energiespeichervorrichtung verstanden, die für sich genommen ebenfalls in der Lage ist, elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung kann eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen aufweisen. In the context of the invention, an energy storage device is understood as meaning a device which is capable of picking up, storing and releasing in particular electrical energy, in particular by utilizing electrochemical processes. As an energy storage cell is understood within the meaning of the invention, a self-contained functional unit of the energy storage device, which in itself is also able to absorb electrical energy, store and release again, in particular by utilizing electrochemical processes. An energy storage device according to the invention may comprise an energy storage cell or a plurality of energy storage cells.
Eine Energiespeicherzelle kann beispielsweise, aber nicht nur eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle (im Rahmen dieser Anmeldung werden Primär- und Sekundärzellen unterschiedslos als Batteriezellen und eine daraus aufgebaute Energiespeichervorrichtung als Batterie bzw. Batterieanordnung bezeichnet), eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang unter einer Energiespeicherzelle eine elektrochemische Energiespeicherzelle verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemische Energiespeicher sind galvanische Zellen und Brennstoffzellen. - - An energy storage cell, for example, but not just a galvanic primary or secondary cell (in the context of this application primary and secondary cells are indiscriminately referred to as battery cells and an energy storage device constructed therefrom as a battery or battery assembly), a fuel cell, a high power capacitor or an energy storage cell of another kind be. In particular, in this context, an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device. Important examples of such electrochemical energy stores are galvanic cells and fuel cells. - -
Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist vorzugsweise einen aktiven Bereich oder aktiven Teil, in welchem elektrochemische Umwandlungs- und Speicherungsprozesse stattfinden, und eine (Zell-)Umhüllung zur Kapselung des aktiven Teils von der Umgebung auf. Der aktive Teil weist vorzugsweise einen Elektrodenstapel auf, der aus einer Elektrodenanordnung aus Elektroden, aktiven Schichten, Separatorschichten und einem von den Separatorschichten aufgenommen Elektrolyten gebildet ist. Die Elektroden sind vorzugsweise plattenförmig oder folienartig ausgebildet und bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann auch gewickelt sein und eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff Elektrodenstapel soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Die aktiven Schichten und Separatorschichten können wenigstens teilweise als eigen- ständige Folienzuschnitte oder als Beschichtungen der Elektroden vorgesehen sein. Der Elektrolyt der Energiespeicherzelle enthält vorzugsweise Lithium- Ionen. Die Zellumhüllung ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung, welche geeignet ist, den Austritt von Chemikalien aus dem Elektrodenstapel in die Umgebung zu verhindern und die Bestandteile des Elektrodenstapels vor schädigenden äußeren Einflüssen zu schützen. Die Zellumhüllung kann aus einem oder aus mehreren Formteilen und/oder folienartig ausgebildet sein. Weiter kann die Zellumhüllung einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Die Zellumhüllung ist vorzugsweise aus einem gasdichten und elektrisch isolierenden Werkstoff oder Schichtverbund gebildet. An electrochemical energy storage cell preferably has an active area or part in which electrochemical conversion and storage processes take place, and a (cell) enclosure for encapsulating the active part from the environment. The active part preferably has an electrode stack which is formed from an electrode arrangement of electrodes, active layers, separator layers and an electrolyte accommodated by the separator layers. The electrodes are preferably plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to one another (prismatic energy storage cells). The electrode assembly may also be wound and have a substantially cylindrical shape (cylindrical energy storage cells). The term electrode stack should also include such electrode coils. The active layers and separator layers may be provided at least partially as self-contained foil blanks or as coatings of the electrodes. The electrolyte of the energy storage cell preferably contains lithium ions. The cell envelope in this context is a device which is suitable for preventing the escape of chemicals from the electrode stack into the environment and for protecting the components of the electrode stack from damaging external influences. The cell envelope may be formed from one or more moldings and / or film-like. Further, the cell envelope may be single-layered or multi-layered. The cell envelope is preferably formed from a gas-tight and electrically insulating material or layer composite.
Eine (elektrochemische) Energiespeicherzelle ist vorzugsweise mit wenigstens zwei Stromableitern (wenigstens einem ersten Stromableiter und wenigstens einem zweiten Stromableiter) versehen. Diese Stromableiter sind jeweils mit Elektroden des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden oder durch diese selbst gebildet. Unter einem Stromableiter soll im Rahmen der Erfindung sowohl ein separates Bauteil, welches mit den - - An (electrochemical) energy storage cell is preferably provided with at least two current conductors (at least one first current collector and at least one second current collector). These current conductors are each electrically connected to electrodes of the electrode stack of the energy storage cell or formed by them themselves. Under a current collector is intended in the context of the invention, both a separate component, which with the - -
Elektroden der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden ist, als auch ein durch die Elektroden selbst gebildeter Stromableiter verstanden werden. Electrodes of the energy storage cell is electrically conductively connected, as well as understood by the electrodes themselves Stromableiter understood.
Die Stromableiter der Energiespeicherzelle verbinden jeweils den Elektroden- Stapel mit einem Zellanschluss, welcher jeweils wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist. Die Zellanschlüsse können im Rahmen der Erfindung sowohl separate Bauteile sein, die mit den Stromableitern elektrisch leitend verbunden sind, als auch integral mit den Stromableitern ausgebildet sein. Die Zellanschlüsse dienen als elektrische Pole der Energiespeicherzellelle. Die Zellanschlüsse dienen jeweils dem elektrischen Anschluss der Energiespeicherzelle in einer Energiespeichervorrichtung oder Batterieanordnung. Falls die Energiespeicherzelle in einem Metallgehäuse eingebaut ist, sind der erste und der zweite Zellanschluss vorzugsweise gegenüber diesem Metallgehäuse elektrisch isoliert; wahlweise kann auch einer der beiden Zellanschlüsse durch das Metallgehäuse selbst gebildet sein. The current conductors of the energy storage cell each connect the electrode stack to a cell connection, which is in each case arranged at least partially outside the cell envelope. Within the scope of the invention, the cell terminals can both be separate components, which are electrically conductively connected to the current conductors, and can also be formed integrally with the current conductors. The cell connections serve as electrical poles of the energy storage cell. The cell connections each serve for the electrical connection of the energy storage cell in an energy storage device or battery arrangement. If the energy storage cell is installed in a metal housing, the first and second cell terminals are preferably electrically insulated from this metal housing; Optionally, one of the two cell connections can also be formed by the metal housing itself.
Ein elektrischer Verbraucher als Bestandteil der Energiespeicherzelle ist im Sinne der Erfindung jede Art von Verbraucher, der bei Anschluss an den Elektrodenstapel elektrische Energie verbraucht. Bei dem elektrischen Verbraucher handelt es sich bevorzugt um einen elektrischen Widerstand, vorzugsweise ausgebildet als Kaltleiter, oder um einen Strahler, der die elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung umwandelt und abgibt. Neben der elektromagnetischen Strahlung gibt der elektrische Verbraucher im Allgemeinen insbesondere auch Wärmeenergie ab. Der elektrische Verbraucher ist vorzugsweise niederohmig ausgebildet (Größenordnung von einigen Milliohm bis einigen Ohm). Von dem elektrischen Verbraucher der Energiespeicherzelle zu unterscheiden ist dabei insbesondere ein externer elektrischer Verbraucher, der von der Energiespeicherzelle bzw. der gesamten Batterieanordnung versorgt wird. An electrical consumer as part of the energy storage cell is within the meaning of the invention any type of consumer that consumes electrical energy when connected to the electrode stack. The electrical load is preferably an electrical resistor, preferably designed as a PTC thermistor, or a radiator that converts and emits the electrical energy into electromagnetic radiation. In addition to the electromagnetic radiation, the electrical consumer generally also emits heat energy in particular. The electrical load is preferably formed low impedance (order of several milliohms to a few ohms). In this case, it should be distinguished from the electrical load of the energy storage cell in particular an external electrical load which is supplied by the energy storage cell or the entire battery arrangement.
Der wenigstens eine elektrische Verbraucher wird vorzugsweise je nach der maximalen Betriebsspannung der Energiespeicherzelle, der maximal ge- - - The at least one electrical load is preferably dependent on the maximum operating voltage of the energy storage cell, the maximum - -
wünschten Entladezeit der Energiespeicherzelle, seinem möglichen Energieverbrauch, seiner möglichen Wärmeentwicklung und dergleichen ausgewählt bzw. angepasst. Unter der Schaltvorrichtung soll in diesem Zusammenhang jede Art von Schaltvorrichtung verstanden werden, die in einer solchen Weise angesteuert werden kann, dass der elektrische Verbraucher an den Elektrodenstapel angeschlossen wird, so dass der Elektrodenstapel sich über den elektrischen Verbraucher entlädt. Die Schaltvorrichtung wird vorzugsweise drahtlos ange- steuert (z.B. per Funk) oder ist mittels Signalleitungen mit einer Steuereinrichtung verbunden. Die Schaltvorrichtung ist vorzugsweise eine Schaltvorrichtung, die zwischen einem ersten Schaltzustand (für den Normal- betriebszustand der Energiespeicherzelle) und einem zweiten Schaltzustand (zum Entladen des Elektrodenstapels) geschaltet werden kann. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch Schaltvorrichtungen mit mehr als zwei Schaltzuständen möglich. Ferner umfasst der Begriff Schaltvorrichtung in diesem Zusammenhang sowohl Schaltvorrichtungen, die nur einmal (in den Schaltzustand zum Entladen des Elektrodenstapels) geschaltet werden können, als auch Schaltvorrichtungen, die zwischen den Schaltzuständen für den Normal- betrieb der Energiespeicherzelle und zum Entladen des Elektrodenstapels (mehrfach) hin und her geschaltet werden können. Die Schaltvorrichtung enthält bevorzugt ein, zwei oder mehr geeignete Schaltelemente. desired discharge time of the energy storage cell, its possible energy consumption, its possible heat generation and the like selected or adapted. In this context, the switching device is to be understood as any type of switching device which can be controlled in such a way that the electrical load is connected to the electrode stack so that the electrode stack discharges via the electrical consumer. The switching device is preferably controlled wirelessly (for example by radio) or is connected to a control device by means of signal lines. The switching device is preferably a switching device that can be switched between a first switching state (for the normal operating state of the energy storage cell) and a second switching state (for discharging the electrode stack). In the context of the invention, however, switching devices with more than two switching states are also possible. Furthermore, the term switching device in this context includes both switching devices that can be switched only once (in the switching state for discharging the electrode stack), as well as switching devices that between the switching states for the normal operation of the energy storage cell and for discharging the electrode stack (multiple) can be switched back and forth. The switching device preferably includes one, two or more suitable switching elements.
Der wenigstens eine Elektrodenstapel umfasst einen, zwei oder mehr Elektrodenstapel innerhalb der Zellumhüllung. Der wenigstens eine erste Stromableiter umfasst einen, zwei oder mehr Stromableiter, wobei vorzugsweise jeder des wenigstens einen Elektrodenstapels über wenigstens einen ersten Stromableiter mit dem ersten Zellanschluss verbunden ist. Ebenso umfasst der wenigstens eine zweite Stromableiter einen, zwei oder mehr Stromableiter, wobei vorzugsweise jeder des wenigstens einen Elektrodenstapels über wenigstens einen zweiten Stromableiter mit dem zweiten Zellanschluss verbunden ist. Der wenigstens eine elektrische Verbraucher umfasst einen, zwei - - The at least one electrode stack comprises one, two or more electrode stacks within the cell envelope. The at least one first current conductor comprises one, two or more current conductors, wherein preferably each of the at least one electrode stack is connected to the first cell terminal via at least one first current conductor. Likewise, the at least one second current conductor comprises one, two or more current conductors, wherein preferably each of the at least one electrode stack is connected to the second cell terminal via at least one second current conductor. The at least one electrical load comprises one, two - -
oder mehr elektrische Verbraucher. Die wenigstens eine Schaltvorrichtung umfasst eine, zwei oder mehr Schaltvorrichtungen. or more electrical consumers. The at least one switching device comprises one, two or more switching devices.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Energiespeicher- zelle einen dritten Zellanschluss auf, welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und über den ersten oder den zweiten Stromableiter mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist. Dieser dritte Zellanschluss ist in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher geschaltet. Durch diesen dritten Zellanschluss besteht eine einfache Möglichkeit, den elektrischen Verbraucher außerhalb der Zellumhüllung anzuordnen und damit auch die durch den elektrischen Verbraucher bewirkte Wärmeentwicklung außerhalb der Zellumhüllung stattfinden zu lassen. Zudem besteht die Möglichkeit, diesen dritten Zellanschluss auch für andere Zwecke zu nutzen. In a preferred embodiment of the invention, the energy storage cell has a third cell connection, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via the first or the second current conductor. This third cell terminal is connected in series with the at least one electrical load. By means of this third cell connection, there is a simple possibility of arranging the electrical consumer outside the cell envelope and thus also allowing the heat development caused by the electrical consumer to take place outside the cell envelope. It is also possible to use this third cell connection for other purposes.
Die wenigstens eine Schaltvorrichtung kann wahlweise außerhalb der Zellumhüllung oder innerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein. Im Fall von mehreren Schaltvorrichtungen kann auch eine Schaltvorrichtung außerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein, während eine andere Schaltvorrichtung inner- halb der Zellumhüllung angeordnet ist. The at least one switching device may optionally be arranged outside the cell envelope or within the cell envelope. In the case of multiple switching devices, one switching device can also be arranged outside the cell envelope, while another switching device is arranged inside the cell envelope.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Schaltvorrichtung derart ansteuerbar, dass der wenigstens eine Elektrodenstapel von dem ersten oder dem zweiten Zellanschluss getrennt wird (CID, current Interrupt device). Auf diese Weise kann die Energiespeicherzelle außer Betrieb genommen werden und zum Beispiel innerhalb einer Energiespeichervorrichtung überbrückt werden. Neben dem internen Entladen der Energiespeicherzelle über den wenigstens einen Verbraucher kann so verhindert werden, dass die Energiespeicherzelle elektrische Energie abgibt, wodurch die Sicherheit für den Benutzer und die Umgebung weiter erhöht werden kann. Durch die Verwendung einer eigenen CID-Schaltvorrichtung in/an der Energie- - - In a preferred embodiment of the invention, the at least one switching device can be controlled in such a way that the at least one electrode stack is disconnected from the first or the second cell connection (CID, current interrupt device). In this way, the energy storage cell can be taken out of service and be bridged, for example, within an energy storage device. In addition to the internal discharge of the energy storage cell via the at least one consumer can be prevented so that the energy storage cell emits electrical energy, whereby the security for the user and the environment can be further increased. By using its own CID switching device in / on the power - -
Speicherzelle kann auf separate Überbrückungsschaltungen außerhalb der Energiespeicherzellen in der Batterieanordnung verzichtet werden. Memory cell can be dispensed with separate bypass circuits outside the energy storage cells in the battery assembly.
Die wenigstens eine Schaltvorrichtung kann eine Schaltvorrichtung zum Einschalten der Entladefunktion und eine weitere Schaltvorrichtung zum Trennen des einen Zellanschlusses oder eine Schaltvorrichtung sowohl zum Einschalten der Entladefunktion als auch zum Trennen des einen Zellanschlusses aufweisen. Das Trennen des einen Zellanschlusses von dem Elektrodenstapel kann je nach Ausgestaltung der Schaltvorrichtung wahlweise zusammen mit dem Einschalten der Entladefunktion oder separat davon erfolgen. The at least one switching device may have a switching device for switching on the discharge function and a further switching device for separating the one cell connection or a switching device both for switching on the discharging function and for disconnecting the one cell connection. Depending on the configuration of the switching device, the separation of the one cell connection from the electrode stack can optionally be effected together with the switching on of the discharge function or separately therefrom.
Der wenigstens eine elektrische Verbraucher kann wahlweise wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung oder innerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein. Im Fall von mehreren elektrischen Verbrauchern kann auch ein elektrischer Verbraucher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein, während ein anderer elektrischer Verbraucher innerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine elektrische Verbraucher mit einer Kühlvorrichtung verbunden. Diese Kühlvorrichtung ist bevorzugt eine Kühlvorrichtung der Energiespeicherzelle, besonders bevorzugt eine ohnehin vorhandene Kühlvorrichtung der Energiespeicherzelle. Die Kühlvorrichtung soll insbesondere eine Erwärmung oder Überhitzung der Energiespeicherzelle beschränken bzw. verhindern. The at least one electrical load may optionally be located at least partially outside the cell envelope or within the cell envelope. In the case of multiple electrical loads, an electrical load may also be disposed at least partially outside the cell enclosure, while another electrical load may be located within the cell enclosure. In a preferred embodiment of the invention, the at least one electrical load is connected to a cooling device. This cooling device is preferably a cooling device of the energy storage cell, particularly preferably an already existing cooling device of the energy storage cell. The cooling device should in particular limit or prevent heating or overheating of the energy storage cell.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Energiespeicherzelle wenigstens eine Messvorrichtung zum Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters der Energiespeicherzelle auf, welche innerhalb der Zell- Umhüllung angeordnet ist, wobei die Messsignale dieser wenigstens einen Messvorrichtung an dem dritten Zellanschluss und ggf. dem ersten oder zweiten Zellanschluss anliegen. Sofern die Entladefunktion der Energiespeicherzelle - - In a further preferred embodiment of the invention, the energy storage cell has at least one measuring device for detecting at least one operating parameter of the energy storage cell, which is arranged inside the cell casing, wherein the measuring signals of this at least one measuring device at the third cell connection and possibly the first or second cell connection issue. If the discharge of the energy storage cell - -
über den wenigstens einen Verbraucher durch die wenigstens eine Schaltvorrichtung nicht aktiviert ist, können so auf einfache Weise die Messsignale der Messvorrichtung an dem dritten Zellanschluss oder über dem dritten und dem ersten/zweiten Zellanschluss abgegriffen werden. Ein weiterer Messanschluss kann vorzugsweise entfallen. Bei dem wenigstens einen Betriebsparameter der Energiespeicherzelle handelt es sich bevorzugt um eine Temperatur innerhalb der Energiespeicherzelle, um einen Ladezustand der Energiespeicherzelle, um einen Druck innerhalb der Energiespeicherzelle, um eine Temperatur des elektrischen Verbrauchers und dergleichen. via the at least one consumer by the at least one switching device is not activated, the measurement signals of the measuring device can be tapped on the third cell connection or on the third and the first / second cell connection in a simple manner. Another measuring connection can preferably be omitted. The at least one operating parameter of the energy storage cell is preferably a temperature within the energy storage cell, a state of charge of the energy storage cell, a pressure within the energy storage cell, a temperature of the electrical consumer and the like.
Im Rahmen der Erfindung kann innerhalb der Zellumhüllung auch eine Messvorrichtung zum Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters vorgesehen sein, wenn kein dritter Zellanschluss vorhanden ist. In diesem Fall erfolgt die Übertragung der Signale der Messvorrichtung vorzugsweise drahtlos (z.B. per Funk). Within the scope of the invention, a measuring device for detecting at least one operating parameter can also be provided within the cell envelope if no third cell connection is present. In this case, the transmission of the signals of the measuring device preferably takes place wirelessly (for example by radio).
Die Energiespeicherzelle der vorliegenden Erfindung ist in vorteilhafter Weise in einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen einsetzbar. Die Energiespeicherzelle weist dann vorzugsweise eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen der Energiespeicherzellen auf. The energy storage cell of the present invention is advantageously used in an energy storage device, in particular an electrochemical energy storage device having a plurality of energy storage cells. The energy storage cell then preferably has a control device for driving the switching devices of the energy storage cells.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist den Energiespeicherzellen jeweils eine Überbrückungseinrichtung zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzelle zugeordnet, insbesondere parallel geschaltet. In a preferred embodiment of the invention, the energy storage cells are each assigned a bridging device for bridging the respective energy storage cell, in particular connected in parallel.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Energiespeichervorrichtung eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Ladezustandes und/oder eines Gefährdungszustandes der Energiespeicherzellen auf. Diese Anzeigevorrichtung ist vorzugsweise mit der Steuereinrichtung der Energiespeicherzelle gekoppelt. Über die Anzeigevorrichtung können einem Benutzer vorzugsweise die Zustände „sicher", „unsicher" und „potenziell - - In a further preferred embodiment of the invention, the energy storage device has a display device for displaying a charge state and / or a hazardous state of the energy storage cells. This display device is preferably coupled to the control device of the energy storage cell. Via the display device, the states can preferably be given the states "safe", "uncertain" and "potentially" - -
unsicher" mitgeteilt werden. Die Anzeigevorrichtung umfasst in diesem Zusammenhang optische und/oder akustische Anzeigevorrichtungen. In this context, the display device comprises optical and / or acoustic display devices.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle bzw. Energiespeichervorrichtung wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb eingesetzt. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium- Ionen-Batterien zur Versorgung von Kraftfahrzeugantrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung aber auch unabhängig von der Bauart der Batterie oder unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Verwendung finden kann. The energy storage cell or energy storage device according to the invention is preferably used in a motor vehicle with an electric drive or a hybrid drive. The invention is described in connection with lithium-ion batteries for the supply of motor vehicle drives. It should be noted, however, that the invention can also be used regardless of the type of battery or regardless of the type of powered drive.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigen: The above and other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments in conjunction with the figures. Show:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; - - 1 is a simplified block diagram of an energy storage cell according to a first embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a second embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a third embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a fourth embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a fifth embodiment of the present invention; a simplified block diagram of an energy storage cell according to a sixth embodiment of the present invention; - -
Fig. 7 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeicherzelle gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 8 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Energiespeichervorrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7 is a simplified block diagram of an energy storage cell according to a seventh embodiment of the present invention; and FIG. 8 is a simplified block diagram of an energy storage device having a plurality of energy storage cells according to a preferred embodiment of the present invention.
Fig. 1 zeigt eine elektronische Energiespeicherzelle 10 am Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows an electronic energy storage cell 10 using the example of a lithium-ion battery according to a first exemplary embodiment of the invention.
Die Energiespeicherzelle 10 weist wenigstens einen innerhalb einer Zellumhüllung 11 angeordneten Elektrodenstapel 12 auf. Weiter weist die Energiespeicherzelle 10 einen ersten Zellanschluss 14 als negativen Pol der Zelle und einen zweiten Zellanschluss 16 als positiven Pol der Zelle auf. Der erste Zellanschluss 14 ist über einen ersten Stromableiter 18 mit dem Elektrodenstapel 12 elektrisch leitend verbunden und der zweite Zellanschluss 16 ist über einen zweiten Stromableiter 20 mit dem Elektrodenstapel 12 elektrisch leitend verbunden, so dass der Elektrodenstapel 12 der Energie- Speicherzelle 10 über die beiden Zellanschlüsse 14, 16 aufgeladen und entladen werden kann. The energy storage cell 10 has at least one electrode stack 12 arranged within a cell envelope 11. Furthermore, the energy storage cell 10 has a first cell terminal 14 as a negative pole of the cell and a second cell terminal 16 as a positive pole of the cell. The first cell terminal 14 is electrically conductively connected to the electrode stack 12 via a first current conductor 18, and the second cell terminal 16 is electrically conductively connected to the electrode stack 12 via a second current conductor 20, so that the electrode stack 12 of the energy storage cell 10 is connected via the two cell terminals 14, 16 can be charged and discharged.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der erste Stromableiter 18 mit dem zweiten Stromableiter 20 innerhalb der Zellumhüllung 1 1 über eine interne Verbindungs- leitung 22 elektrisch leitend verbunden. In dieser Verbindungsleitung 22 ist eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Verbraucher 24 in Form eines Widerstandes (z.B. Kaltleiter oder PTC-Widerstand) und einer Schaltvorrichtung 26 in Form eines einfachen Schalters vorgesehen. Mit anderen Worten ist die Reihenschaltung aus Verbraucher 24 und Schaltvorrichtung 26 parallel zum Elektrodenstapel 12 geschaltet. - - As shown in FIG. 1, the first current conductor 18 is electrically conductively connected to the second current conductor 20 within the cell envelope 1 1 via an internal connection line 22. In this connecting line 22 is a series circuit of an electrical load 24 in the form of a resistor (eg PTC thermistor or PTC resistor) and a switching device 26 is provided in the form of a simple switch. In other words, the series circuit of consumer 24 and switching device 26 is connected in parallel to the electrode stack 12. - -
Im Normalbetrieb der Energiespeicherzelle 10 ist die Schaltvorrichtung 26 offen angesteuert, so dass der Verbraucher 24 nicht an den Elektrodenstapel 12 angeschlossen ist. Die Energiespeicherzelle 10 kann deshalb in bekannter Weise über den ersten und den zweiten Zellanschluss 14, 16 aufgeladen und entladen werden. During normal operation of the energy storage cell 10, the switching device 26 is open, so that the load 24 is not connected to the electrode stack 12. The energy storage cell 10 can therefore be charged and discharged in a known manner via the first and second cell terminals 14, 16.
Soll die Energiespeicherzelle 10 in einen sicheren Zustand überführt werden, in dem ihre Betriebsspannung einen vorbestimmten Grenzwert nicht übersteigt, so kann die Energiespeicherzelle 10 ohne weitere Hilfsmittel gezielt entladen werden. Zu diesem Zweck wird die Schaltvorrichtung 26 geschlossen angesteuert, so dass der Verbraucher 24 an den Elektrodenstapel 12 angeschlossen wird. Durch diesen Verbraucher 24 fließt dann Strom aus dem Elektrodenstapel 12, welchen dieser in Wärmeenergie umwandelt und abgibt. Der Elektrodestapel 12 kann so über den Verbraucher 24 entladen werden, wobei an den beiden Zellanschlüssen 14, 16 keine Energie abgegriffen wird. In einer anderen Variante wandelt der elektrische Verbraucher 24 die elektrische Energie aus dem Elektrodenstapel 12 in elektromagnetische Strahlung um. If the energy storage cell 10 is to be converted into a safe state in which its operating voltage does not exceed a predetermined limit value, the energy storage cell 10 can be discharged in a targeted manner without further aids. For this purpose, the switching device 26 is driven closed, so that the load 24 is connected to the electrode stack 12. Through this consumer 24 then flows current from the electrode stack 12, which converts this into heat energy and releases. The Elektrodestapel 12 can be discharged via the load 24, wherein at the two cell terminals 14, 16 no energy is tapped. In another variant, the electrical load 24 converts the electrical energy from the electrode stack 12 into electromagnetic radiation.
Soll die Energiespeicherzelle 10 zu einem späteren Zeitpunkt wieder normal genutzt werden, so wird die Schaltvorrichtung 26 wieder offen angesteuert, um den Verbraucher 24 von dem Elektrodenstapel 12 zu trennen. If the energy storage cell 10 is to be used normally again at a later time, then the switching device 26 is driven open again to disconnect the load 24 from the electrode stack 12.
Fig. 2 zeigt eine elektronische Energiespeicherzelle 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie im obigen ersten Ausführungsbeispiel gekennzeichnet. Fig. 2 shows an electronic energy storage cell 10 according to a second embodiment of the invention. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above first embodiment.
Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel enthält die Energiespeicherzelle 10 dieses Ausführungsbeispiels zusätzlich eine Kühlvorrichtung 28, mit welcher der elektrische Verbraucher 24 verbunden ist, d.h. in thermischem Kontakt steht. Die beim Entladevorgang über den Verbraucher 24 an diesem entstehende Wärme kann so über die Kühlvorrichtung 28 abgeleitet werden. Auf diese Weise - - Compared to the first embodiment, the energy storage cell 10 of this embodiment additionally includes a cooling device 28, with which the electrical load 24 is connected, that is in thermal contact. The resulting heat during the discharging process via the consumer 24 can thus be dissipated via the cooling device 28. In this way - -
kann ein Überhitzen des Verbrauchers 24 verhindert und so die Funktionsfähigkeit dieser Entladefunktionalität dauerhaft gewährleistet werden. can prevent overheating of the consumer 24 and thus the functioning of this discharge functionality can be guaranteed permanently.
Bei der Kühlvorrichtung 28 handelt es sich beispielsweise um einen Kühlkörper, der zumindest teilweise innerhalb der Zellumhüllung 1 1 angeordnet ist, oder um ein Metallgehäuse um die Energiespeicherzelle 10. By way of example, the cooling device 28 is a heat sink which is arranged at least partially within the cell envelope 11, or a metal housing around the energy storage cell 10.
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle 10 entsprechen jenen des Ausführungsbeispiels von Fig. 1. The remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the embodiment of FIG. 1.
Fig. 3 zeigt eine elektronische Energiespeicherzelle 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in den obigen Ausführungsbeispielen gekennzeichnet. 3 shows an electronic energy storage cell 10 according to a third exemplary embodiment of the invention. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Schaltvorrichtung 32 dieser Energiespeicherzelle 10 nicht in der Verbindungsleitung 22 angeordnet, sondern an einem Knotenpunkt der Verbindungsleitung 22 mit dem ersten Stromableiter 32. Compared to the first embodiment, the switching device 32 of this energy storage cell 10 is not arranged in the connecting line 22, but at a node of the connecting line 22 with the first current collector 32nd
Die Schaltvorrichtung 32 ist dabei so ausgestaltet und ansteuerbar, dass sie für den Normalbetrieb der Energiespeicherzelle 10 die Verbindung des ersten Stromableiters 18 mit dem ersten Zellanschluss 14 schließt und gleichzeitig die interne Verbindungsleitung 22 von dem ersten Stromableiter 18 trennt. Zum Entladen des Elektrodenstapels 12 über den elektrischen Verbraucher 24 trennt diese Schaltvorrichtung 32 den ersten Stromableiter 18 vom ersten Zellanschluss 14 und schließt gleichzeitig die Verbindung der internen Verbindungsleitung 22 mit dem ersten Stromableiter 18. Mit dieser Schaltvorrichtung 32 wird somit nicht nur ein Entladevorgang des Elektrodenstapels 12 über den Verbraucher 24 eingeschaltet, sondern gleichzeitig auch eine Trennung eines Zellanschlusses (hier der erste Zellanschluss - - The switching device 32 is configured and controllable such that it closes the connection of the first current conductor 18 to the first cell terminal 14 for normal operation of the energy storage cell 10 and at the same time separates the internal connection line 22 from the first current conductor 18. For discharging the electrode stack 12 via the electrical load 24, this switching device 32 disconnects the first current conductor 18 from the first cell terminal 14 and at the same time closes the connection of the internal connection line 22 to the first current conductor 18. This switching device 32 thus not only discharges the electrode stack 12 switched on via the consumer 24, but at the same time a separation of a cell connection (here the first cell connection - -
14) und damit eine Stromunterbrechung an den Zellanschlüssen 14, 16 bewirkt (CID, current Interrupt device). 14) and thus causes a power interruption at the cell terminals 14, 16 (CID, current interrupt device).
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltvorrichtung kann optional auch zusätzlich zu der Schaltvorrichtung 26 in der internen Verbindungsleitung 26 (vgl. Fig. 1 und 2) vorgesehen sein. The switching device illustrated in Fig. 3 may optionally also be provided in addition to the switching device 26 in the internal connection line 26 (see Fig. 1 and 2).
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle 10 entsprechen jenen der obigen Ausführungsbeispiele von Fig. 1 und 2. The remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiments of FIGS. 1 and 2.
Fig. 4 zeigt eine elektronische Energiespeicherzelle 10 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in den obigen Ausführungsbeispielen gekennzeichnet. 4 shows an electronic energy storage cell 10 according to a fourth exemplary embodiment of the invention. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
Im Vergleich zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind bei der Energiespeicherzelle 10 von Fig. 4 die Schaltvorrichtung 26 und der elektrische Verbraucher 24 außerhalb der Zellumhüllung 1 1 angeordnet. Zu diesem Zweck weist die Energiespeicherzelle 10 einen dritten Zellanschluss 34 auf. Dieser dritte Zellanschluss 34 ragt zumindest teilweise aus der Zellumhüllung 1 1 heraus und ist über eine Anschlussleitung 36 mit dem ersten Stromableiter 18 verbunden. Außerhalb der Zellumhüllung 1 1 ist der dritte Zellanschluss 34 mit dem zweiten Zellanschluss 16 über eine externe Verbindungsleitung 38 verbunden, in welcher die Reihenschaltung aus Schaltvorrichtung 26 und Verbraucher 24 angeordnet ist. . In comparison with the exemplary embodiments described above, in the energy storage cell 10 of FIG. 4, the switching device 26 and the electrical load 24 are arranged outside the cell envelope 11. For this purpose, the energy storage cell 10 has a third cell connection 34. This third cell terminal 34 protrudes at least partially out of the cell envelope 1 1 and is connected via a connecting line 36 to the first current conductor 18. Outside the cell envelope 1 1, the third cell connection 34 is connected to the second cell connection 16 via an external connection line 38, in which the series circuit comprising the switching device 26 and the consumer 24 is arranged. ,
Auch bei dieser Konstellation ist der Verbraucher 24 parallel zum Elektrodenstapel 12 geschaltet, so dass dieser bei geschlossen angesteuerter Schalt- Vorrichtung 26 über den Verbraucher 24 entladen werden kann. - - In this constellation too, the load 24 is connected in parallel to the electrode stack 12 so that it can be discharged via the load 24 when the switching device 26 is driven closed. - -
Die Anordnung des elektrischen Verbrauchers 24 außerhalb der Zellumhüllung 1 1 hat gegenüber den Ausführungsbeispielen mit einem innerhalb der Zellumhüllung 1 1 angeordneten Verbraucher 24 den Vorteil, dass die Wärmeentwicklung des Verbrauchers 24 außerhalb der Zellumhüllung 11 stattfindet und besser abgeführt werden kann. The arrangement of the electrical load 24 outside the cell envelope 1 1 has over the embodiments with a disposed within the cell envelope 1 1 consumer 24 has the advantage that the heat development of the consumer 24 takes place outside the cell envelope 11 and can be better dissipated.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Verbraucher 24 zusätzlich mit einer Kühlvorrichtung verbunden werden. Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle 10 entsprechen jenen der obigen Ausführungsbeispiele von Fig. 1 bis 3. Also in this embodiment, the consumer 24 can be additionally connected to a cooling device. The remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiments of FIGS. 1 to 3.
Obwohl nicht dargestellt, kann in einer alternativen Ausführungsform der dritte Anschluss 34 auch innerhalb der Zellumhüllung 1 1 mit dem zweiten Strom- ableiter 20 verbunden werden, wobei dann der dritte Anschluss 34 außerhalb der Zellumhüllung 1 1 über die externe Verbindungsleitung 38 mit dem Verbraucher 24 und der Schaltvorrichtung 26 mit dem ersten Zellanschluss 14 zu verbinden ist. Fig. 5 zeigt eine elektronische Energiespeicherzelle 10 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in den obigen Ausführungsbeispielen gekennzeichnet. Im Vergleich zu dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei der Energiespeicherzelle 10 von Fig. 5 die Schaltvorrichtung 26 in der Anschlussleitung 36 zwischen dem dritten Anschluss 34 und dem ersten Stromableiter 18 innerhalb der Zellumhüllung 1 1 angeordnet. Der elektrische Verbraucher 24 ist weiterhin in der externen Verbindungsleitung 38 zwischen dem dritten Zellanschluss 34 und dem zweiten Zellanschluss 16 außerhalb der Zellumhüllung angeordnet. - - Although not shown, in an alternative embodiment, the third terminal 34 can also be connected within the cell envelope 11 to the second current arrester 20, in which case the third terminal 34 outside the cell envelope 1 1 via the external connecting line 38 to the consumer 24 and the switching device 26 is to be connected to the first cell terminal 14. 5 shows an electronic energy storage cell 10 according to a fifth exemplary embodiment of the invention. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments. In comparison with the exemplary embodiment illustrated in FIG. 4, in the energy storage cell 10 of FIG. 5, the switching device 26 is arranged in the connection line 36 between the third connection 34 and the first current conductor 18 within the cell envelope 11. The electrical load 24 is further arranged in the external connection line 38 between the third cell connection 34 and the second cell connection 16 outside the cell envelope. - -
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle 10 entsprechen jenen des obigen Ausführungsbeispiels von Fig. 4. The remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiment of FIG. 4.
Obwohl nicht dargestellt, kann in einer alternativen Ausführungsform auch der Verbraucher 24 in der Anschlussleitung 36 zwischen dem dritten Anschluss 34 und dem ersten Stromableiter 18 innerhalb der Zellumhüllung 1 1 angeordnet werden, während die Schaltvorrichtung 26 in der externen Verbindungsleitung 38 zwischen dem dritten Zellanschluss 34 und dem zweiten Zellanschluss 16 außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist. Although not shown, in an alternative embodiment, the load 24 in the lead 36 may be disposed between the third terminal 34 and the first current conductor 18 within the cell sheath 11, while the switching device 26 in the external lead 38 may be disposed between the third cell terminals 34 and the second cell terminal 16 is disposed outside the cell envelope.
Fig. 6 zeigt eine elektronische Energiespeicherzelle 10 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in den obigen Ausführungsbeispielen gekennzeichnet. 6 shows an electronic energy storage cell 10 according to a sixth embodiment of the invention. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
Das sechste Ausführungsbeispiel basiert auf einer Kombination des fünften Ausführungsbeispiels von Fig. 5 mit dem dritten Ausführungsbeispiel von Fig. 3. Konkret ist bei der Energiespeicherzelle 10 von Fig. 6 im Vergleich zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel von Fig. 5 anstelle der Schaltvorrichtung 26 in der Anschlussleitung 36 eine Schaltvorrichtung 32 am Knotenpunkt zwischen der Anschlussleitung 36 und dem ersten Stromableiter 18 vorgesehen. The sixth embodiment is based on a combination of the fifth embodiment of Fig. 5 with the third embodiment of Fig. 3. Concretely, in the energy storage cell 10 of Fig. 6, as compared with the above-described embodiment of Fig. 5, instead of the switching device 26 in Figs Connecting line 36, a switching device 32 at the junction between the connecting line 36 and the first current collector 18 is provided.
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle 10 entsprechen jenen der obigen Ausführungsbeispiele von Fig. 1 bis 5. The remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiments of FIGS. 1 to 5.
Fig. 7 zeigt eine elektronische Energiespeicherzelle 10 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in den obigen Ausführungsbeispielen gekennzeichnet. Fig. 7 shows an electronic energy storage cell 10 according to a seventh embodiment of the invention. The same or corresponding components are identified by the same reference numerals as in the above embodiments.
Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist bei dieser Energiespeicherzelle 10 innerhalb der Zellumhüllung 1 1 eine Mess- - - Compared to the exemplary embodiment of FIG. 5 described above, in the case of this energy storage cell 10 within the cell envelope 1 1, a measuring - -
Vorrichtung 40 (z.B. Thermosensor) zum Erfassen eines Betriebsparameters der Energiespeicherzelle (z.B. Innentemperatur) angeordnet. Device 40 (e.g., thermal sensor) for detecting an operating parameter of the energy storage cell (e.g., internal temperature).
Grundsätzlich kann eine solche Messvorrichtung 40 bei allen Ausführungs- Varianten der Energiespeicherzelle vorgesehen sein, bei solchen mit einem dritten Zellanschluss 34 ergibt sich aber ein besonderer Vorteil. Falls ein dritter Zellanschluss 34 vorhanden ist, kann die Messvorrichtung 40 in der Zellumhüllung 1 1 über Signalleitungen 42, 44 mit dem ersten Zellanschluss 14 und dem dritten Zellanschluss 34 verbunden sein. Dann können die Messsignale der Messvorrichtung 40 im Normalbetrieb der Energiespeicherzelle 10, d.h. bei offen angesteuerter Schaltvorrichtung 26, über dem ersten und dem dritten Zellanschluss 14, 34 abgegriffen werden. Ein zusätzlicher Messsignalanschluss an der Energiespeicherzelle 10 kann somit entfallen. Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle 10 entsprechen jenen des obigen Ausführungsbeispiels von Fig. 4. In principle, such a measuring device 40 may be provided in all embodiments of the energy storage cell, but in those with a third cell connection 34 there is a particular advantage. If a third cell connection 34 is present, the measuring device 40 in the cell envelope 1 1 can be connected to the first cell connection 14 and the third cell connection 34 via signal lines 42, 44. Then, the measuring signals of the measuring device 40 during normal operation of the energy storage cell 10, i. when the switching device 26 is openly controlled, it can be tapped off via the first and the third cell connection 14, 34. An additional measuring signal connection to the energy storage cell 10 can thus be dispensed with. The remaining components and functions of this energy storage cell 10 correspond to those of the above embodiment of FIG. 4.
Obwohl nicht dargestellt, können die Signalleitungen 42, 44 der Messvorrichtung 40 alternativ auch mit dem dritten Zellanschluss 34 und dem zweiten Zellanschluss 16 verbunden sein. Ferner ist es - je nach Messvorrichtung 40 - auch denkbar, nur eine Signalleitung 44 zum dritten Zellanschluss 34 vorzusehen. Although not shown, the signal lines 42, 44 of the measuring device 40 may alternatively also be connected to the third cell terminal 34 and the second cell terminal 16. Furthermore, depending on the measuring device 40, it is also conceivable to provide only one signal line 44 to the third cell connection 34.
Als weitere Ausführungsformen kann die Messvorrichtung 40 auch bei den in Fig. 4 und Fig. 6 dargestellten Energiespeicherzellen 10 mit einem dritten Zellanschluss 34 eingesetzt werden. As further embodiments, the measuring device 40 can also be used with the energy storage cells 10 shown in FIGS. 4 and 6 with a third cell connection 34.
Anhand von Fig. 8 wird nun ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeicherzellen 10 näher beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der in Fig. 8 dargestellten Konstellation grundsätzlich alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Energiespeicherzellen und deren Varianten eingesetzt werden können. - - A preferred application example of the energy storage cells 10 according to the invention will now be described in more detail with reference to FIG. 8. It should be noted that in the constellation shown in FIG. 8, in principle, all of the above-described embodiments of the energy storage cells and their variants can be used. - -
Fig. 8 zeigt eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren (in diesem Beispiel drei) in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 10 gemäß der Erfindung. Alle Energiespeicherzellen 10 weisen insbesondere wenigstens einen Elektroden- Stapel 12 und einen Entladekreis 24, 26/32 auf. FIG. 8 shows an energy storage device having a plurality of (in this example three) series-connected energy storage cells 10 according to the invention. All energy storage cells 10 have in particular at least one electrode stack 12 and a discharge circuit 24, 26/32.
Insbesondere falls die Energiespeicherzellen 10 keine CID-Schaltvorrichtung 32 enthalten, sind zu den Energiespeicherzellen 10 vorzugsweise jeweils Über- brückungsvorrichtungen 46 parallel geschaltet, um eine defekte Energie- Speicherzelle bei Bedarf aus der Reihenschaltung „herauszunehmen" und die übrigen Energiespeicherzellen 10 der Energiespeichervorrichtung weiter normal betreiben zu können. In particular, if the energy storage cells 10 do not contain a CID switching device 32, bridging devices 46 are preferably connected in parallel to the energy storage cells 10 in order to "remove" a defective energy storage cell from the series circuit as required and to continue the normal operation of the remaining energy storage cells 10 of the energy storage device to be able to.
Die Energiespeichervorrichtung von Fig. 8 weist ferner eine Steuereinrichtung 48 auf. Diese Steuereinrichtung 48 ist mit den Energiespeicherzellen 10 verbunden, um insbesondere deren Schaltvorrichtungen 26, 32 anzusteuern und die Messsignale ihrer Messvorrichtungen 40 abzugreifen. Außerdem steuert diese Steuereinrichtung 48 ggf. auch die Überbrückungsvorrichtungen 46 zu den einzelnen Energiespeicherzellen 10 an. The energy storage device of FIG. 8 further includes a controller 48. This control device 48 is connected to the energy storage cells 10, in particular to control their switching devices 26, 32 and to tap the measuring signals of their measuring devices 40. In addition, this control device 48 possibly also controls the bridging devices 46 to the individual energy storage cells 10.
Ferner ist die Steuereinrichtung 48 mit einer Anzeigevorrichtung 50 verbunden. Diese Anzeigevorrichtung 50 soll dem Benutzer der Energiespeichervorrichtung einen Ladezustand der Energiespeicherzellen 10 und insbesondere auch einen Gefährdungszustand der Energiespeichervorrichtung oder ihrer Energie- Speicherzellen 10 anzeigen. Mögliche Gefährdungszustände sind zum Beispiel „sicher", „potenziell unsicher" und„unsicher", welche dem Benutzer beispielsweise als Ampelfarben angezeigt werden können. Further, the controller 48 is connected to a display device 50. This display device 50 is intended to indicate to the user of the energy storage device a state of charge of the energy storage cells 10 and in particular also a state of danger of the energy storage device or its energy storage cells 10. Possible hazard states are, for example, "safe", "potentially unsafe" and "insecure", which can be displayed to the user as traffic light colors, for example.
Im Fall einer (möglicherweise) defekten Energiespeichervorrichtung oder zu Wartungs- oder Reparaturzwecken wird über die Steuereinrichtung 48 automatisch oder vom Benutzer initiiert ein Entladevorgang der Elektrodenstapel 12 aller oder nur der (möglicherweise) defekten Energiespeicherzellen 10 über - - In the case of a (possibly) defective energy storage device or for maintenance or repair purposes, a discharge process of the electrode stacks 12 of all or only the (possibly) defective energy storage cells 10 is initiated via the control device 48 automatically or by the user - -
deren Verbraucher 24 gestartet. Der Abfall der Betriebsladung einer Energiespeicherzelle auf ein ausreichend niedriges Niveau kann beispielsweise festgestellt werden, wenn nach einer Betätigung der Schaltvorrichtung 26, 32 ein vorbestimmtes Zeitintervall mit einer erhöhten Temperatur am Verbraucher 24 abgelaufen ist und anschließend ein vorbestimmter Temperaturabfall erfolgt ist. whose consumers started 24. The drop in the operating charge of an energy storage cell to a sufficiently low level can be determined, for example, if, after an actuation of the switching device 26, 32 a predetermined time interval with an increased temperature at the consumer 24 has expired and then a predetermined temperature drop has occurred.
Außerdem ist es möglich, mithilfe der internen Entladekreise 24, 26/32 der Energiespeicherzellen 10 die mehreren Energiespeicherzellen einer Energiespeichervorrichtung auf ein im Wesentlichen gleiches Ladeniveau zu setzen oder einen Ladezustand der Energiespeicherzellen zu begrenzen, indem über einen vorbestimmten Schwellenwert geladene Energiespeicherzellen auf ein bestimmtes Niveau entladen werden. Auf diese Weise kann die Betriebsdauer der Energiespeicherzellen 10 erhöht werden. In addition, it is possible to use the internal discharge circuits 24, 26/32 of the energy storage cells 10 to set the plurality of energy storage cells of an energy storage device to a substantially same charge level or to limit a state of charge of the energy storage cells by discharging over a predetermined threshold energy storage cells charged to a certain level become. In this way, the operating life of the energy storage cells 10 can be increased.

Claims

Patentansprüche claims
Energiespeicherzelle (10), insbesondere elektrochemische Energiespeicherzelle, mit Energy storage cell (10), in particular electrochemical energy storage cell, with
wenigstens einem Elektrodenstapel (12), welcher innerhalb einer Zellumhüllung (1 1) angeordnet ist;  at least one electrode stack (12), which is arranged within a cell envelope (1 1);
einem ersten Zellanschluss (14), welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung (1 1 ) angeordnet ist und über wenigstens einen ersten Stromableiter (18) mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel (12) elektrisch leitend verbunden ist;  a first cell terminal (14), which is arranged at least partially outside the cell envelope (1 1) and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack (12) via at least one first current conductor (18);
einem zweiten Zellanschluss (16), welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung (1 1 ) angeordnet ist und über wenigstens einen zweiten Stromableiter (20) mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel (12) elektrisch leitend verbunden ist;  a second cell terminal (16) which is arranged at least partially outside the cell envelope (1 1) and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack (12) via at least one second current conductor (20);
wenigstens einem elektrischen Verbraucher (24), welcher parallel zu dem wenigstens einen Elektrodenstapel (12) geschaltet ist; und  at least one electrical load (24) connected in parallel with the at least one electrode stack (12); and
wenigstens einer Schaltvorrichtung (26, 32), welche in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher (24) geschaltet ist, wobei die wenigstens eine Schaltvorrichtung (26, 32) ansteuerbar ist, um den wenigstens einen Elektrodenstapel (12) über den wenigstens einen elektrischen Verbraucher (24) zu entladen.  at least one switching device (26, 32), which is connected in series with the at least one electrical load (24), wherein the at least one switching device (26, 32) is controllable to the at least one electrode stack (12) via the at least one electrical Consumers (24) to unload.
2. Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 1 , 2. Energy storage cell according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
sie einen dritten Zellanschluss (34) aufweist, welcher wenigstens teil- weise außerhalb der Zellumhüllung (1 1 ) angeordnet ist und über den ersten oder den zweiten Stromableiter (18, 20) mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist; und  it has a third cell connection (34) which is arranged at least partially outside the cell envelope (11) and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via the first or the second current conductor (18, 20); and
der dritte Zellanschluss (34) in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher (24) geschaltet ist. the third cell terminal (34) is connected in series with the at least one electrical load (24).
3. Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, 3. Energy storage cell according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die wenigstens eine Schaltvorrichtung (26, 32) innerhalb der Zellumhüllung (1 1 ) angeordnet ist. 4. Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 3,  the at least one switching device (26, 32) is arranged within the cell envelope (11). 4. Energy storage cell according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die wenigstens eine Schaltvorrichtung (32) ansteuerbar ist, um den wenigstens einen Elektrodenstapel (12) von dem ersten oder dem zweiten Zellanschluss (14, 16) zu trennen. 5. Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 1 oder 2,  the at least one switching device (32) is controllable in order to separate the at least one electrode stack (12) from the first or the second cell connection (14, 16). 5. Energy storage cell according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die wenigstens eine Schaltvorrichtung (26) außerhalb der Zellumhüllung (11 ) angeordnet ist.  the at least one switching device (26) is arranged outside the cell envelope (11).
Energiespeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, Energy storage cell according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der wenigstens eine elektrische Verbraucher (24) innerhalb der Zellumhüllung (1 1) angeordnet ist.  the at least one electrical load (24) is arranged within the cell envelope (11).
Energiespeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, Energy storage cell according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der wenigstens eine elektrische Verbraucher (24) wenigstens außerhalb der Zellumhüllung (1 1 ) angeordnet ist.  the at least one electrical load (24) is arranged at least outside the cell envelope (11).
Energiespeicherzelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Energy storage cell according to one of the preceding claims, characterized in that
der wenigstens eine elektrische Verbraucher (24) mit einer Kühlvorrichtung (28) verbunden ist. Energiespeicherzelle gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, the at least one electrical load (24) is connected to a cooling device (28). Energy storage cell according to one of claims 2 to 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
sie wenigstens eine Messvorrichtung (40) zum Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters der Energiespeicherzelle (10) aufweist, welche innerhalb der Zellumhüllung (1 1 ) angeordnet ist; und  it comprises at least one measuring device (40) for detecting at least one operating parameter of the energy storage cell (10) which is arranged within the cell envelope (11); and
Messsignale der wenigstens einen Messvorrichtung (40) an dem dritten Zellanschluss (34) anliegen.  Measuring signals of the at least one measuring device (40) abut the third cell connection (34).
10. Energiespeichervorrichtung, insbesondere elektrochemische Energiespeichervorrichtung, mit mehreren Energiespeicherzellen (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und einer Steuereinrichtung (48) zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen (26, 32) der Energiespeicherzellen (10). 10. Energy storage device, in particular electrochemical energy storage device, with a plurality of energy storage cells (10) according to one of claims 1 to 9 and a control device (48) for driving the switching devices (26, 32) of the energy storage cells (10).
11. Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 10, 11. Energy storage device according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
den Energiespeicherzellen (10) jeweils eine Überbrückungseinrichtung (46) zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzelle zugeordnet, insbesondere parallel geschaltet ist.  the energy storage cells (10) each associated with a bridging means (46) for bridging the respective energy storage cell, in particular is connected in parallel.
Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11 , Energy storage device according to claim 10 or 11,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
sie eine Anzeigevorrichtung (50) zum Anzeigen eines Ladezustandes und/oder eines Gefährdungszustandes der Energiespeicherzellen (10) aufweist.  it has a display device (50) for displaying a state of charge and / or a hazardous state of the energy storage cells (10).
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