WO2015062695A1 - Batterie mit einer vielzahl von batterieeinzelzellen - Google Patents

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Dirk Schröter
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery comprising a stack of a plurality of stacked or juxtaposed
  • Batteries of the generic type are used for example as a high-voltage battery (HV battery) for alternative drives in motor vehicles.
  • HV battery high-voltage battery
  • the battery individually in series and / or parallel single cells are in one
  • the individual battery cells are usually housed in holders that are designed in frame or shell shape and the
  • HV contacting The electrical series and / or parallel connection of the battery individual cells, also referred to as HV contacting, can be effected according to a generic embodiment in that the cell poles, also called Abieiter, different battery individual cells are positioned directly against each other and electrically contacted. This means that the cell pole of a first battery single cell is touching against the cell pole of a second battery single cell.
  • An alternative generic embodiment provides that an electrically conductive, in particular metallic cell connector is provided between the electrically to be contacted cell poles of different battery cells, via which the contacting takes place. Both the direct contacting of different cell poles to each other as well as the indirect contact via cell connector can through
  • the present invention relates to all of these mentioned embodiments.
  • battery-containing electrochemically active material is thermally unstable.
  • metal oxides manganese, nickel and cobalt oxide, ...) decompose above a threshold temperature, eg. B. of 150 ° C, irreversible in an exothermic reaction.
  • a threshold temperature eg. B. of 150 ° C
  • the battery single cell heats up further and the pressure in its interior continues to rise.
  • these are usually equipped with rupture discs or the like, which allow a defined release of the overpressure, also known as venting.
  • the gas emerging from the cells is very hot, often with temperatures of more than 600 ° C, contains conductive components (electrolyte,
  • the present invention has for its object to improve a battery with a plurality of electrically connected in series and / or parallel battery cells of the type initially shown such that a removal of individual
  • the object of the invention is achieved by a battery having the features of
  • a battery according to the invention comprises a stack of a plurality of stacked or juxtaposed battery individual cells which are electrically connected in series or in parallel to one another in that each single battery cell has at least two cell poles and the cell poles of different battery cell cells electrically
  • Embodiment all battery cells of the entire battery are electrically connected in series.
  • Each single battery cell has an electrode stack with cathodes and anodes.
  • the various layered cathodes and anodes are under
  • separators Interposed by also layered separators stacked on one another, wherein the separators have an electrolyte, in particular be soaked before closing the battery single cell with such.
  • Each of the battery cells has a first cell pole electrically connected to the
  • Cathodes is connected, and a second cell pole, which is electrically connected to the anodes.
  • the first cell poi is thus a positive pole of the battery single cell and the second cell pole is a negative pole of the battery single cell.
  • all the cathodes of the single battery cell are connected together to the first cell pole, and all the anodes of the single cell cells are connected in common to the second cell pole.
  • a switching element with at least two is now in the connection between at least one of the two cell poles and the electrode stack Switch positions provided. In a first switching position, the electrical connection within the switching element between the corresponding cell pole and the
  • Made electrode stack and in a second switching position of the switching element is the electrical connection between the corresponding cell pole and the
  • Electrode stack interrupted and instead, the two cell poles of
  • the electrical connection to the electrode stack are interrupted and at the same time, the entire battery single cell can be electrically bypassed, so that no electrical interruption of the entire battery takes place.
  • Switching element fixed to the enclosure or the housing of the battery single cell or by this (s) are worn.
  • the switching element advantageously has its own housing, in the present case
  • Called switching element housing which has at least or exactly three or four electrical switching element terminals.
  • the electrode stack is electrically connected to at least one or two of the switching element terminals.
  • the two cell poles are each connected to a further one of the switching element connections.
  • the circuit takes place within the housing, so that in the first switching position both cell poles are electrically connected to the electrode stack and in the second
  • the electrical connection is interrupted by at least one of the two cell poles with the electrode stack and instead the two cell poles are electrically connected together to achieve the desired shorting the electrode stack short circuit.
  • the enclosure of the battery individual cells can be rigid, in particular in a so-called bipolar compassionflachzelle, or limp, especially in a so-called Pouch- or Coffeebag cell.
  • the enclosure of a single cell battery encloses the electrode stack and the cell poles are guided by this outward or contacted. In particular, there are exactly two cell poles per battery cell
  • the switching element as
  • the semiconductor switch executed, d. H. that no mechanical separation of the electrical connection takes place, but the flow of electrons is electrically blocked.
  • the semiconductor switch may comprise transistors.
  • the switching element is as
  • the electrical connection to be interrupted is mechanically interrupted or separated.
  • the direct electrical connection between the cell poles or the short circuit between the two cell poles is correspondingly mechanically interrupted
  • the electrical connection between at least one cell pole and the electrode stack is mechanically interrupted.
  • the control of the switching element can be carried out in particular by sensors which detect critical parameters of the single battery cell, such as current, voltage, temperature and / or pressure. Accordingly, a current, voltage, temperature and / or pressure sensor may be provided for at least indirect actuation of the switching element as a function of at least one of the sensor detected size of the current, the voltage, the temperature and / or the pressure on the switching element directly or with the interposition of a control device which is positioned inside or outside of the single cell battery, is connected.
  • this may have an evaluation, which processes the signals from one or more pressure sensors and actively actuates the switching element as a function of this processing or evaluation.
  • the switching element is designed together with the at least one sensor as a passive switching unit. So z. B. the current of the single cell battery flow over a fuse wire fuse, the at
  • Another embodiment provides to control the switching element via a pressure box, when exceeding a certain internal cell pressure
  • Electrode stack a PTC resistor (PTC resistor) to arrange, the battery single cell or the electrode stack electrically separated by resistance increase when exceeding a certain temperature, and to introduce a NTC resistor between the two cell poles, the cell poles at this elevated temperature by lowering the resistance electrically shorts.
  • PTC resistor PTC resistor
  • the temperature of the battery cell is detected by Dehnstoff- (analog cooling water thermostat with wax cartridge), bimetal or shape memory elements and used to switch the switching element.
  • Dehnstoff- analog cooling water thermostat with wax cartridge
  • bimetal or shape memory elements used to switch the switching element.
  • Such an irreversible switching element only switches once from the first switching position to the second switching position.
  • the switching element is designed as a reversible switching element, which means that the
  • Switching position can be switched back to the first switching position.
  • the downshift takes place when the critical parameter leading to the shift to the second shift position has returned to the permissible range.
  • the downshift takes place in particular automatically, however, according to an alternative embodiment, it can also be controlled manually or from outside the battery or single battery cell.
  • the cell poles of different individual battery cells are contacted directly with each other electrically. This means that these cell poles abut each other to make the electrical contact. However, it is also possible, as described above, to switch cell connectors between the different cell poles.
  • the solution according to the invention makes it possible to operate the battery permanently with a certain number of failed and bridged individual battery cells, since their replacement usually involves a high outlay (for example the removal of the battery from the motor vehicle, the opening of the battery , the separation of the often sealed battery individual cells and a replacement of the same).
  • the switching element is in each case on or in the single cell battery, the number of components is reduced and the assembly is simplified.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention with designed as a bipolar compassionflachzellen battery single cells.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the invention with a prismatic hardcase
  • Fig. 3 is a single battery cell according to the embodiment of Fig. 1 in the first
  • Fig. 5 is a single battery cell according to the embodiment of Fig. 2 in the first
  • Figure 7 is a single battery cell in the structure corresponding to those of Figures 2, 5 and 6, but with switching element within the enclosure of the single battery cell in the first switching position of the switching element.
  • the battery has a stack 1 of a plurality of battery individual cells 2, which are electrically connected in series, in that the cell poles 3, 4 of different battery individual cells 2 abut each other and are thereby electrically contacted.
  • the battery individual cells 2 are designed as bipolar frame flat cells.
  • the electrode stack 5 of each individual battery cell 2 is enveloped by two metallic housing halves or shells, which are separated from one another by an electrically insulating frame 6.
  • the housing halves or shells are referred to herein as enclosure 7 of the battery individual cells 2.
  • the sheaths in the embodiment shown in FIG. 1 are inherently stable.
  • the two parts (shells) of the envelope 7 at the same time represent the cell poles 3, 4, wherein the first cell pole 3 is electrically connected to the cathodes of the electrode stack 5 and the second cell pole 4 is electrically connected to the anodes of the electrode stack 5.
  • a switching element 8 is provided in each case, which in the electrical connection of the first cell pole 3 with the
  • Electrode stack 5 is positioned so that this connection when switching the
  • Switching element 8 is interrupted from a first switching position in its second switching position.
  • the first switching position is shown in FIG. 1 and in FIG. 3.
  • the second switching position is shown in FIG. 4.
  • the connection of the second cell pole 4 to the electrode stack 5 is maintained in the embodiment shown also in the second switching position of the switching element 8, see the compound 9 of the cathode flag with the cathode shell (enclosure 7).
  • the switching element 8 is shown with a movable component 10 in the connection 11 between the first cell pole 3 and the electrode stack 5. In the first switching position, this movable component 10 connects the first cell pole 3 to the electrode stack 5, whereas in the second switching position it short-circuits the first cell pole 3 to the second cell pole 4.
  • this movable component 10 In the first switching position, this movable component 10 connects the first cell pole 3 to the electrode stack 5, whereas in the second switching position it short-circuits the first cell pole 3 to the second cell pole 4.
  • other switching elements 8 can also be used.
  • the heat loss of the single battery cell 2 is advantageously passed through appropriately thickened Hüllbleche or the shells to a narrow side of the battery cells 2 and discharged a cooling plate not shown here, which is traversed by the air conditioning coolant of the motor vehicle or other cooling liquid.
  • a cooling plate not shown here, which is traversed by the air conditioning coolant of the motor vehicle or other cooling liquid.
  • For electrical insulation of the sheath 7 and the usually metallic cooling plate is often arranged there between an electrically insulating heat conducting foil.
  • Single battery cell 2 is in particular glued or from Rothzeit- and
  • the frame 6 or parts thereof are at least in the region of the sealed seam made of thermoplastic material, which enters after cooling under pressure a cohesive connection with the two metallic housing halves (enclosure 7).
  • the electrical series connection of several bipolar compassionflachzellen in Double shell construction is advantageously carried out by compression or welding of the behind the sealing flange by 90 ° beveled shell edges, which the
  • Uncoated anode and cathode layers such as lugs can protrude from the electrode stack 5, wherein the anode layers are connected to one another and the cathode layers are connected to one another, in particular stapled, and the
  • Switching element 8 taken, at least partially or at least substantially completely.
  • the switching elements 8 are positioned outside the battery individual cells 2.
  • the battery individual cells 2 are designed as a pouch cell or prismatic hardcase cell. Pouch cells are generally flat and rectangular in construction, with the electrode stack 5 of a foil-like
  • Packaging usually a composite foil with thin aluminum foil in the middle as
  • the film-like packaging is also referred to as wrapper 7.
  • the closure of the single battery cell 2 can take place, for example, after the filling of an electrolyte under vacuum in that the film, which is advantageously coated on the inside with a thermoplastic, revolving around the edge
  • Prismatic hardcase cells have as envelope 7 a metallic housing, by means of which the electrical conductors are electrically insulated from the two cell poles 3, 4
  • the cell poles 3, 4 of different battery individual cells 2 are electrically connected to one another by cell connectors 12.
  • the switching elements 8 are arranged differently within the enclosure 7, again laterally such angled cell poles 3, 4 conceivable that a direct contact without
  • the individual battery cells 2 are designed as pouch cells or prismatic hardcase cells, in the latter case with an electric cell
  • the cell poles 3, 4 are connected exclusively to the electrode stack 5 via the switching element 8, as illustrated, for example, in the exemplary embodiment according to FIG. 2 or in accordance with FIGS. 7 and 8, it is favorable if the
  • Switching element 8 has a switching element housing 14, at the four electrical
  • Switching element terminals are provided to the first cell pole 3 at a first switching element terminal, the second cell pole 4 at a second
  • Switch element terminal and the anodes of the electrode stack 5 to connect to a fourth switching element connection. If, as in the embodiment according to FIG. 1, the electrode stack 5 is connected directly to one of the two cell poles 3, 4, the switching element housing 14 advantageously has only three switching element connections, the second switching element connection being connected to the electrode stack 5 (in FIG 2, the fourth switching element connection) can be saved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend einen Stapel (1) aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten oder nebeneinander gestellten Batterieeinzelzellen (2), die elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind, indem jede Batterieeinzelzelle (2) wenigstens zwei Zellpole (3, 4) aufweist und die Zellpole (3, 4) verschiedener Batterieeinzelzellen (2) elektrisch miteinander kontaktiert sind, wobei jede Batterieeinzelzelle (2) einen Elektrodenstapel (5) mit Kathoden und Anoden aufweist und ein erster Zellpol (3) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Kathoden und ein zweiter Zellpol (4) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Anoden verbunden ist. Die erfindungsgemäße Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen wenigstens einem der beiden Zellpole (3, 4) und dem Elektrodenstapel (5) ein Schaltelement (8) mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen ist, das in einer ersten Schaltstellung den Zellpol (3, 4) elektrisch mit dem Elektrodenstapel (5) verbindet und in einer zweiten Schaltstellung die elektrische Verbindung mit dem Elektrodenstapel (5) unterbricht und die Zellpole (3, 4) der Batterieeinzelzelle (2) kurzschließt.

Description

Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend einen Stapel aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten oder nebeneinander gestellten
Batterieeinzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Batterien der gattungsgemäßen Art werden beispielsweise als Hochvoltbatterie (HV- Batterie) für alternative Antriebe in Kraftfahrzeugen verwendet. In der Regel sind die elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Batterieeinzelzellen in einem
gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das insbesondere auch die Batterieelektronik und/oder Kühlung aufnimmt oder trägt. Meist sind die Batterieeinzelzellen in sogenannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine gewisse Anzahl von Batterieeinzelzellen inklusive deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Einrichtung zur
Kühlung/Heizung enthalten. Die Batterieeinzelzellen werden in der Regel in Haltern aufgenommen, die in Rahmen- oder Schalenform ausgeführt sind und die
Batterieeinzelzellen im Wesentlichen durch Kraftschluss fixieren, wenn der Stapel aus Batterieeinzelzellen über Spannelemente, z. B. Zuganker, Gewindestangen, Schrauben, Spannbänder etc. und Druckbrillen verpresst wird. Die elektrische Reihen- und/oder Parallelschaltung der Batterieeinzelzellen, auch als HV-Kontaktierung bezeichnet, kann gemäß einer gattungsgemäßen Ausführungsform dadurch erfolgen, dass die Zellpole, auch Abieiter genannt, verschiedener Batterieeinzelzellen unmittelbar gegeneinander positioniert und elektrisch miteinander kontaktiert werden. Das bedeutet, dass der Zellpol einer ersten Batterieeinzelzelle berührend an dem Zellpol einer zweiten Batterieeinzelzelle anliegt. Eine alternative gattungsgemäße Ausführungsform sieht hingegen vor, dass zwischen den elektrisch zu kontaktierenden Zellpolen verschiedener Batterieeinzelzellen ein elektrisch leitender, insbesondere metallischer Zellverbinder vorgesehen ist, über den die Kontaktierung erfolgt. Sowohl die unmittelbare Kontaktierung verschiedener Zellpole aneinander als auch die mittelbare Kontaktierung über Zellverbinder kann durch
Verpressen, Verschrauben, Verschweißen etc. erfolgen. Die vorliegende Erfindung betrifft all diese genannten Ausführungsformen.
Insbesondere bei Li-Ionen-Zellen können bei Überladung oder Kurzschluss die
Temperatur und der Innendruck im Gehäuse stark ansteigen. Die in den
Batterieeinzelzellen enthaltene elektrochemisch aktive Masse ist jedoch thermisch instabil. Besonders die in Li-Ionen-Zellen befindlichen Metalloxide (Mangan-, Nickel- und Cobaltoxid, ...) zersetzen sich oberhalb einer Grenztemperatur, z. B. von 150 °C, irreversibel in einer exothermen Reaktion. Dadurch erwärmt sich die Batterieeinzelzelle noch weiter und der Druck in ihrem Inneren steigt weiter an. Um das unkontrollierte Bersten der Zellgehäuse zu vermeiden, sind diese in der Regel mit Berstscheiben oder Ähnlichem ausgestattet, die ein definiertes Ablassen des Überdrucks, auch als Venting bezeichnet, ermöglichen. Das dabei aus den Zellen austretende Gas ist sehr heiß, häufig mit Temperaturen von mehr als 600 °C, enthält leitfähige Bestandteile (Elektrolyt,
Leitsalze, Alu- oder Kupferpartikel, ...) und kann damit Brände sowie weitere
Kurzschlüsse im Inneren der Batterie hervorrufen, sodass ein Öffnen der
Batterieeinzelzellen möglichst verhindert werden muss.
Eine Möglichkeit hierfür ist das Vorsehen von Sicherungen, welche die Stromzufuhr zu einer Batterieeinzelzelle bei Überschreiten eines bestimmten Stromes oder eines bestimmten Druckes unterbrechen, wodurch die oben genannten Folgen verhindert werden können. Nachteilig ist jedoch, dass mit der Unterbrechung der Stromzufuhr zu einer Batterieeinzelzelle alle in Reihe geschalteten Zellen abgeschaltet werden und damit in der Regel die gesamte Batterie außer Betrieb gesetzt wird, sodass beispielsweise ein Kraftfahrzeug mit elektromotorischem durch die Batterie gespeisten Antrieb fahruntüchtig wird.
Zur Lösung des genannten Problems können in einer elektrischen Verbindung zwischen verschiedenen Batterieeinzelzellen extern angesteuerte Schalter vorgesehen sein, welche gezielt einzelne Batterieeinzelzellen oder Batterieeinzelzellenblöcke aus dem Stromfluss herausschalten können, ohne die elektrische Kontaktierung der gesamten Batterie zu unterbrechen. Solche Lösungen sind jedoch aufwändig und verkomplizieren den Aufbau und die Montage entsprechender Batterien. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie mit einer Vielzahl von elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Batterieeinzelzellen der eingangs dargestellten Bauart derart zu verbessern, dass ein Herausnehmen einzelner
Batterieeinzelzellen aus dem Stromfluss bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der
Funktionsfähigkeit der Gesamtbatterie möglich ist, ohne dass der Aufbau und die
Montage der Batterie wesentlich verkompliziert wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen von
Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Eine erfindungsgemäße Batterie umfasst einen Stapel aus einer Vielzahl von aufeinander geschichteten oder nebeneinander gestellten Batterieeinzelzellen, die elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind, indem jede Batterieeinzelzelle wenigstens zwei Zellpole aufweist und die Zellpole verschiedener Batterieeinzelzellen elektrisch
miteinander kontaktiert sind. In der Regel werden zumindest einige der
Batterieeinzelzellen elektrisch in Reihe geschaltet sein. In einer besonderen
Ausführungsform sind alle Batterieeinzelzellen der gesamten Batterie elektrisch in Reihe geschaltet.
Jede Batterieeinzelzelle weist einen Elektrodenstapel mit Kathoden und Anoden auf. In der Regel sind die verschiedenen schichtförmigen Kathoden und Anoden unter
Zwischenschaltung von ebenfalls schichtförmigen Separatoren aufeinander gestapelt, wobei die Separatoren ein Elektrolyt aufweisen, insbesondere vor dem Verschließen der Batterieeinzelzelle mit einem solchen getränkt werden.
Jede der Batterieeinzelzellen weist einen ersten Zellpol auf, der elektrisch mit den
Kathoden verbunden ist, sowie einen zweiten Zellpol, der elektrisch mit den Anoden verbunden ist. Der erste Zellpoi ist somit ein Pluspol der Batterieeinzelzelle und der zweite Zellpol ist ein Minuspol der Batterieeinzelzelle. In der Regel sind alle Kathoden der Batterieeinzelzelle gemeinsam an dem ersten Zellpol angeschlossen und alle Anoden der Batterieeinzelzelle sind gemeinsam an dem zweiten Zellpol angeschlossen.
Erfindungsgemäß ist nun in der Verbindung zwischen wenigstens einem der beiden Zellpole und dem Elektrodenstapel ein Schaltelement mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen. In einer ersten Schaltstellung ist die elektrische Verbindung innerhalb des Schaltelementes zwischen dem entsprechenden Zellpol und dem
Elektrodenstapel hergestellt und in einer zweiten Schaltstellung des Schaltelementes ist die elektrische Verbindung zwischen dem entsprechenden Zellpol und dem
Elektrodenstapel unterbrochen und stattdessen sind die beiden Zellpole der
Batterieeinzelzelle elektrisch kurzgeschlossen, indem der erste Zellpol mit dem zweiten Zellpol direkt, also unter Umgehung des Elektrodenstapels, elektrisch verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann sozusagen jenseits der elektrischen
Anschlüsse, d. h. der Zellpole eine Batterieeinzelzelle, somit innerhalb der
Batterieeinzelzelle die elektrische Verbindung zum Elektrodenstapel unterbrochen werden und gleichzeitig kann die gesamte Batterieeinzelzelle elektrisch überbrückt werden, sodass keine elektrische Unterbrechung der gesamten Batterie erfolgt. Innerhalb der Batterieeinzelzelle bedeutet dabei entweder, dass das Schaltelement tatsächlich innerhalb einer Umhüllung, auch Gehäuse genannt, der Batterieeinzelzelle positioniert ist oder, dass das Schaltelement zwar außerhalb der Umhüllung oder des Gehäuses der Batterieeinzelzelle positioniert ist, jedoch in der elektrischen Verbindung auf der dem Elektrodenstapel zugewandten Seite der Zellpole. In beiden Fällen kann das
Schaltelement an der Umhüllung oder dem Gehäuse der Batterieeinzelzelle fixiert bzw. durch diese(s) getragen werden.
Das Schaltelement weist vorteilhaft ein eigenes Gehäuse auf, vorliegend
Schaltelementgehäuse genannt, das wenigstens oder genau drei oder vier elektrische Schaltelementanschlüsse aufweist. Der Elektrodenstapel ist zumindest an einem oder an zwei der Schaltelementanschlüsse elektrisch angeschlossen. Die beiden Zellpole sind an jeweils einem weiteren der Schaltelementanschlüsse angeschlossen. Die Schaltung erfolgt innerhalb des Gehäuses, sodass in der ersten Schaltstellung beide Zellpole elektrisch leitend am Elektrodenstapel angeschlossen sind und in der zweiten
Schaltstellung die elektrische Verbindung von wenigstens einem der beiden Zellpole mit dem Elektrodenstapel unterbrochen ist und stattdessen die beiden Zellpole elektrisch miteinander verbunden sind, um den gewünschten den Elektrodenstapel umgehenden Kurzschluss zu erreichen. Hierfür wird der Schaltelementanschluss, an welchem der erste Zellpol angeschlossen ist, mit dem Schaltelementanschluss, an welchem der zweite Zellpol angeschlossen ist, innerhalb des Schaltelementes bzw. innerhalb des
Schaltelementgehäuses elektrisch verbunden. Die Umhüllung der Batterieeinzelzellen kann starr ausgeführt sein, insbesondere bei einer sogenannten bipolaren Rahmenflachzelle, oder biegeschlaff, insbesondere bei einer sogenannten Pouch- oder Coffeebag-Zelle. Die Umhüllung einer Batterieeinzelzelle umschließt den Elektrodenstapel und die Zellpole sind durch diese nach außen geführt oder kontaktiert. Insbesondere sind genau zwei Zellpole je Batterieeinzelzelle
vorgesehen.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Schaltelement als
Halbleiterschalter ausgeführt, d. h. dass keine mechanische Auftrennung der elektrischen Verbindung erfolgt, sondern der Elektronenfluss elektrisch blockiert wird. Beispielsweise kann der Halbleiterschalter Transistoren aufweisen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltelement als
mechanischer Schalter ausgeführt. Bei einem solchen mechanischen Schalter wird die zu unterbrechende elektrische Verbindung mechanisch unterbrochen bzw. aufgetrennt. In der ersten Schaltstellung ist entsprechend die direkte elektrische Verbindung zwischen den Zellpolen bzw. der Kurzschluss zwischen den beiden Zellpolen mechanisch unterbrochen und in der zweiten Schaltstellung ist die elektrische Verbindung zwischen wenigstens einem Zellpol und dem Elektrodenstapel mechanisch unterbrochen.
Die Ansteuerung des Schaltelementes kann insbesondere durch Sensoren erfolgen, welche kritische Parameter der Batterieeinzelzelle, wie Strom, Spannung, Temperatur und/oder Druck erfassen. Demgemäß kann ein Strom-, Spannungs-, Temperatur- und/oder Drucksensor vorgesehen sein, der zur zumindest mittelbaren Betätigung des Schaltelementes in Abhängigkeit wenigstens einer von dem Sensor erfassten Größe des Stroms, der Spannung, der Temperatur und/oder des Drucks an dem Schaltelement direkt oder unter Zwischenschaltung einer Steuervorrichtung, die innerhalb oder außerhalb der Batterieeinzelzelle positioniert ist, angeschlossen ist. Bei der
Zwischenschaltung einer Steuervorrichtung kann diese eine Auswerteelektronik aufweisen, welche die Signale von einem oder mehreren Drucksensoren verarbeitet und in Abhängigkeit dieser Verarbeitung bzw. Auswertung das Schaltelement aktiv betätigt. Die Stromversorgung des wenigstens einen Sensors und insbesondere der
Steuervorrichtung kann durch die Batterieeinzelzelle selbst oder über den HV-Pfad der Batterie außerhalb der Batterieeinzelzelle erfolgen, im letzteren Fall zur Aufrechterhaltung der Funktion bei einem Ausfall der Batterieeinzelzelle. Wenn die Steuervorrichtung innerhalb der Batterieeinzelzelle vorgesehen ist, kann diese vorteilhaft mit der zentralen Batterieelektronik kommunizieren. Ferner ist es möglich, anstelle einer Steuervorrichtung je Batterieeinzelzelle die Schaltelemente verschiedener Batterieeinzelzellen durch eine gemeinsame Steuervorrichtung anzusteuern. Insbesondere kann die zentrale
Batterieelektronik selbst die Schaltelemente aller Batterieeinzelzellen ansteuern.
Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, die Auslösung der
Schaltelemente passiv vorzunehmen, indem die genannten physikalischen Einflüsse direkt auf die Schaltelemente wirken. In diesem Fall ist das Schaltelement zusammen mit dem wenigstens einen Sensor als passive Schalteinheit ausgeführt. So kann z. B. der Strom der Batterieeinzelzelle über eine Schmelzdrahtsicherung fließen, die bei
Überschreitung eines bestimmten Stromes auslöst und den Elektrodenstapel abtrennt, wobei die dabei entstehende Wärme gleichzeitig zur Aktivierung der Überbrückung der Zellpole verwendet wird. Alternativ arretiert der Schmelzdraht ein vorgespanntes
Federelement, welches beim Durchbrennen des Schmelzdrahts einen
Überbrückungsschalter betätigt.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, das Schaltelement über eine Druckdose anzusteuern, die bei Überschreitung eines bestimmten Zellinnendrucks
zusammengedrückt wird, wodurch das Schaltelement betätigt wird.
Noch eine andere Möglichkeit sieht vor, zwischen einem Zellpol und dem
Elektrodenstapel einen Kaltleiter (PTC-Widerstand) anzuordnen, der bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur die Batterieeinzelzelle bzw. den Elektrodenstapel durch Widerstandserhöhung elektrisch abtrennt, und zwischen den beiden Zellpolen einen Heißleiter (NTC-Widerstand) einzubringen, der bei dieser erhöhten Temperatur durch Widerstandsabsenkung die Zellpole elektrisch kurzschließt.
Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Temperatur der Batterieeinzelzelle durch Dehnstoff- (analog Kühlwasserthermostat mit Wachspatrone), Bimetall- oder Shape-Memory-Elemente erfasst und zur Schaltung des Schaltelementes ausgenutzt wird. Neben den hier genannten Sensoren und Schaltelementen sind natürlich andere
Ausführungsformen vorstellbar.
Das Schaltelement kann gemäß einer ersten Ausführungsform als irreversibles
Schaltelement ausgeführt sein. Ein solches irreversibles Schaltelement schaltet nur ein einziges Mal aus der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung. Alternativ ist das Schaltelement als reversibles Schaltelement ausgeführt, was bedeutet, dass das
Schaltelement nach der Schaltung aus der ersten Schaltstellung in die zweite
Schaltstellung wieder zurück in die erste Schaltstellung geschaltet werden kann.
Insbesondere erfolgt die Rückschaltung, wenn der oder die zur Schaltung in die zweite Schaltstellung führenden kritischen Parameter wieder in den zulässigen Bereich zurückgekehrt sind. Die Rückschaltung erfolgt insbesondere automatisch, kann jedoch gemäß einer alternativen Ausführungsform auch manuell oder von außerhalb der Batterie oder Batterieeinzelzelle angesteuert erfolgen.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Zellpole verschiedener Batterieeinzelzellen direkt miteinander elektrisch kontaktiert. Dies bedeutet, dass diese Zellpole aneinander anliegen, um den elektrischen Kontakt herzustellen. Jedoch ist es auch möglich, wie eingangs dargestellt, Zellverbinder zwischen die verschiedenen Zellpole zu schalten.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, die Batterie dauerhaft mit einer gewissen Zahl von ausgefallenen und überbrückten Batterieeinzelzellen zu betreiben, da deren Wechsel in der Regel einen hohen Aufwand bedeutet (z. B. der Ausbau der Batterie aus dem Kraftfahrzeug, das Öffnen der Batterie, das Heraustrennen der oftmals eingeschweißten Batterieeinzelzellen und ein Ersatz derselben).
Dadurch, dass sich das Schaltelement jeweils an der oder in der Batterieeinzelzelle befindet, wird die Anzahl der Bauteile reduziert und die Montage vereinfacht sich.
Insbesondere bei einem innerhalb der Batterieeinzelzelle angeordneten Schaltelement erhöht sich die mechanische Robustheit, da dessen empfindliche Komponenten durch die Umhüllung der Batterieeinzelzelle zusätzlich geschützt werden. Ist das Schaltelement außerhalb angeordnet, so wird dieses vorzugsweise durch ein eigenes stabiles Gehäuse geschützt, das z. B. am Zelldeckel der Batterieeinzelzelle fixiert ist. Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit als bipolare Rahmenflachzellen ausgebildeten Batterieeinzelzellen;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit als prismatische Hardcase-
Zellen oder Pouch-Zellen ausgeführten Batterieeinzelzellen;
Fig. 3 eine Batterieeinzelzelle gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 in der ersten
Schaltstellung des Schaltelementes;
Fig. 4 die Batterieeinzelzelle aus der Fig. 3 in der zweiten Schaltstellung des
Schaltelementes;
Fig. 5 eine Batterieeinzelzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in der ersten
Schaltstellung des Schaltelementes;
Fig. 6 die Batterieeinzelzelle aus der Fig. 5 in der zweiten Schaltstellung des
Schaltelementes;
Fig. 7 eine Batterieeinzelzelle im Aufbau entsprechend jenen der Figuren 2, 5 und 6, jedoch mit Schaltelement innerhalb der Umhüllung der Batterieeinzelzelle in der ersten Schaltstellung des Schaltelementes;
Fig. 8 die Batterieeinzelzelle aus der Fig. 7 in der zweiten Schaltstellung des
Schaltelementes.
Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 weist die Batterie einen Stapel 1 aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen 2 auf, die dadurch elektrisch in Reihe geschaltet sind, dass die Zellpole 3, 4 verschiedener Batterieeinzelzellen 2 aneinander anliegen und dadurch elektrisch kontaktiert sind.
Die Batterieeinzelzellen 2 sind als bipolare Rahmenflachzellen ausgeführt. Bei dieser Bauart wird der Elektrodenstapel 5 jeder Batterieeinzelzelle 2 von zwei metallischen Gehäusehälften bzw. Schalen umhüllt, die durch einen elektrisch isolierenden Rahmen 6 voneinander getrennt sind. Die Gehäusehälften bzw. Schalen werden vorliegend als Umhüllung 7 der Batterieeinzelzellen 2 bezeichnet. In der Regel sind die Umhüllungen bei der gezeigten Ausführungsform in der Fig. 1 eigenstabil. Die beiden Teile (Schalen) der Umhüllung 7 stellen zugleich die Zellpole 3, 4 dar, wobei der erste Zellpol 3 elektrisch mit den Kathoden des Elektrodenstapels 5 verbunden ist und der zweite Zellpol 4 elektrisch mit den Anoden des Elektrodenstapels 5 verbunden ist.
Innerhalb der Umhüllung 7 der Batterieeinzelzellen 2 ist jeweils ein Schaltelement 8 vorgesehen, das in der elektrischen Verbindung des ersten Zellpols 3 mit dem
Elektrodenstapel 5 positioniert ist, sodass diese Verbindung beim Schalten des
Schaltelementes 8 aus einer ersten Schaltstellung in seine zweite Schaltstellung unterbrochen wird. Die erste Schaltstellung ist in der Fig. 1 und in der Fig. 3 dargestellt. Die zweite Schaltstellung ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Verbindung des zweiten Zellpols 4 mit dem Elektrodenstapel 5 bleibt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch in der zweiten Schaltstellung des Schaltelementes 8 aufrechterhalten, siehe die Verbindung 9 der Kathodenfähnchen mit der Kathodenschale (Umhüllung 7).
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 8 mit einem beweglichen Bauteil 10 in der Verbindung 11 zwischen dem ersten Zellpol 3 und dem Elektrodenstapel 5 dargestellt. In der ersten Schaltstellung verbindet dieses bewegliche Bauteil 10 den ersten Zellpol 3 mit dem Elektrodenstapel 5, wohingegen es in der zweiten Schaltstellung den ersten Zellpol 3 mit dem zweiten Zellpol 4 kurzschließt. Es können jedoch auch andere Schaltelemente 8 zum Einsatz gelangen.
Die Verlustwärme der Batterieeinzelzelle 2 wird vorteilhaft über entsprechend aufgedickte Hüllbleche bzw. die Schalen an eine Schmalseite der Batterieeinzelzellen 2 geleitet und eine hier nicht näher dargestellte Kühlplatte abgegeben, die vom Klimakühlmittel des Kraftfahrzeugs oder einer anderen Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Zur elektrischen Isolation der Umhüllung 7 und der meist metallischen Kühlplatte ist häufig dort zwischen eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet. Zur Verbesserung des
Wärmeübergangs können die Ränder der Hüllbleche bzw. Schalen im Bereich der Kühlplatte parallel zu dieser um 90° abgekantet sein. Zum Verschluss der
Batterieeinzelzelle 2 wird insbesondere geklebt oder aus Prozesszeit- und
Festigkeitsgründen vorzugsweise ein Heißpressverfahren ("Siegelung") eingesetzt. Dafür sind der Rahmen 6 oder Teile desselben mindestens im Bereich der Siegelnaht aus thermoplastischem Material ausgeführt, das nach dem Abkühlen unter Druck eine stoffschlüssige Verbindung mit den beiden metallischen Gehäusehälften (Umhüllung 7) eingeht. Die elektrische Reihenschaltung von mehreren bipolaren Rahmenflachzellen in Doppelschalenbauweise erfolgt vorteilhaft durch Verpressung oder Verschweißung der hinter dem Siegelflansch um jeweils 90° abgekanteten Schalenränder, welche die
Zellpole 3, 4 darstellen, die sich im Stapel 1 aus Batterieeinzelzellen 2 jeweils überlappen (Verbindung ohne zusätzliche Zellverbinder, was jedoch nicht zwingend notwendig ist).
Aus dem Elektrodenstapel 5 können unbeschichtete Anoden- und Kathoden-Lagen wie Fähnchen herausragen, wobei die Anoden-Lagen miteinander verbunden sind und die Kathoden-Lagen miteinander verbunden sind, insbesondere geheftet, und die
verbundenen Bereiche mit der Innenseite der Gehäusehälften der Umhüllung 7 z. B.
durch Schweißung verbunden werden können, um die Stromeinleitung und
Stromausleitung zu ermöglichen.
In dem in den Figuren 1 , 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird jener Raum innerhalb der Umhüllung 7, in dem sich kein Elektrodenstapel 5 befindet, vom
Schaltelement 8 eingenommen, zumindest teilweise oder zumindest im Wesentlichen vollständig.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2, 5 und 6 sind die Schaltelemente 8 außerhalb der Batterieeinzelzellen 2 positioniert. Die Batterieeinzelzellen 2 sind als Pouch-Zelle oder prismatische Hardcase-Zelle ausgeführt. Pouch-Zellen sind in der Regel flach und rechteckig gebaut, wobei der Elektrodenstapel 5 von einer folienartigen
Verpackung, in der Regel einer Verbundfolie mit dünner Alu-Folie in der Mitte als
Diffusionssperre, umgeben ist, durch die die elektrischen Abieiter, meist in Blechform, zu den Zellpolen 3, 4 geführt sind. Die folienartige Verpackung wird ebenfalls als Umhüllung 7 bezeichnet. Der Verschluss der Batterieeinzelzelle 2 kann beispielsweise nach dem Einfüllen eines Elektrolyten unter Vakuum dadurch erfolgen, dass die Folie, die vorteilhaft an der Innenseite mit einem Thermoplast beschichtet ist, am Rand umlaufend
heißgesiegelt bzw. heißgeklebt wird.
Prismatische Hardcase-Zellen besitzen als Umhüllung 7 ein metallisches Gehäuse, durch welches die elektrischen Abieiter zu den beiden Zellpolen 3, 4 elektrisch isoliert
hindurchgeführt sind.
Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Zellpole 3, 4 verschiedener Batterieeinzelzellen 2 durch Zellverbinder 12 elektrisch miteinander kontaktiert. Alternativ hierzu sind gemäß dem in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem ähnlichen Aufbau der Batterieeinzelzellen 2, wobei jedoch hier abweichend die Schaltelemente 8 innerhalb der Umhüllung 7 angeordnet sind, wiederum seitlich derart abgewinkelte Zellpole 3, 4 denkbar, dass eine direkte Kontaktierung ohne
Zwischenschaltung eines Zellverbinders möglich ist. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 7 und 8 sind die Batterieeinzelzellen 2 als Pouch-Zellen oder prismatische Hardcase-Zellen ausgeführt, im letzteren Fall mit einer elektrischen
Isolierung 13 zwischen der metallischen Umhüllung 7 und den Zellpolen 3, 4.
Wenn die Zellpole 3, 4 ausschließlich über das Schaltelement 8 an dem Elektrodenstapel 5 angeschlossen sind, wie beispielsweise beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 oder gemäß den Figuren 7 und 8 dargestellt ist, so ist es günstig, wenn das
Schaltelement 8 ein Schaltelementgehäuse 14 aufweist, an dem vier elektrische
Schaltelementanschlüsse vorgesehen sind, um den ersten Zellpol 3 an einem ersten Schaltelementanschluss, den zweiten Zellpol 4 an einem zweiten
Schaltelementanschluss, die Kathoden des Elektrodenstapels 5 an einem dritten
Schaltelementanschluss und die Anoden des Elektrodenstapels 5 an einem vierten Schaltelementanschluss anzuschließen. Wenn, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 der Elektrodenstapel 5 direkt mit einem der beiden Zellpole 3, 4 verbunden ist, weist das Schaltelementgehäuse 14 vorteilhaft nur drei Schaltelementanschlüsse auf, wobei der zweite Schaltelementanschluss zur Verbindung mit dem Elektrodenstapel 5 (in der Fig. 2 der vierte Schaltelementanschluss) eingespart werden kann.

Claims

Patentansprüche
Batterie, umfassend einen Stapel (1) aus einer Vielzahl von aufeinander
geschichteten oder nebeneinander gestellten Batterieeinzelzellen (2), die elektrisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind, indem jede Batterieeinzelzelle (2) wenigstens zwei Zellpole (3, 4) aufweist und die Zellpole (3, 4) verschiedener Batterieeinzelzellen (2) elektrisch miteinander kontaktiert sind, wobei
jede Batterieeinzelzelle (2) einen Elektrodenstapel (5) mit Kathoden und Anoden aufweist und ein erster Zellpol (3) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Kathoden und ein zweiter Zellpol (4) der Batterieeinzelzelle (2) elektrisch mit den Anoden verbunden ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Verbindung zwischen wenigstens einem der beiden Zellpole (3, 4) und dem Elektrodenstapel (5) ein Schaltelement (8) mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen ist, das in einer ersten Schaltstellung den Zellpol (3, 4) elektrisch mit dem Elektrodenstapel (5) verbindet und in einer zweiten Schaltstellung die elektrische Verbindung mit dem Elektrodenstapel (5) unterbricht und die Zellpole (3, 4) der Batterieeinzelzelle
(2) kurzschließt.
Batterie gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaltelement (8) ein Schaltelementgehäuse (14) mit wenigstens oder genau drei oder vier elektrischen Schaltelementanschlüssen aufweist, wobei der
Elektrodenstapel (5) zumindest an einem oder an zwei Schaltelementanschlüssen angeschlossen ist und jeweils ein Zellpol (3, 4) an weiteren
Schaltelementanschlüssen angeschlossen ist.
3. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Batterieeinzelzelle (2) eine starre oder biegeschlaffe Umhüllung (7) aufweist, welche den Elektrodenstapel (5) umschließt und durch welche die Zellpole (3, 4) nach außen geführt sind oder durch welche die außenliegenden Zellpole (3, 4) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) oder das Schaltelementgehäuse (14) innerhalb der Umhüllung (7) positioniert ist und/oder an der Umhüllung (7) fixiert ist.
4. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaltelement (8) als Halbleiterschalter ausgeführt ist.
5. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaltelement (8) als mechanischer Schalter mit einer mechanischen
Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den Zellpolen (3, 4) und zwischen dem Zellpol (3, 4) und dem Elektrodenstapel (5) ausgeführt ist.
6. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Strom-, Spannungs-, Temperatur- und/oder Drucksensor vorgesehen ist, der zur zumindest mittelbaren Betätigung des Schaltelementes (8) in Abhängigkeit wenigstens einer von dem Sensor erfassten Größe des Stromes, der Spannung, der Temperatur und/oder des Druckes an dem Schaltelement (8) direkt oder unter Zwischenschaltung einer Steuervorrichtung, die innerhalb oder außerhalb der Batterieeinzelzelle (2) positioniert ist, angeschlossen ist.
7. Batterie gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaltelement (8) zusammen mit dem Sensor eine passive Schalteinheit ausbildet.
8. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) als irreversibles Schaltelement (8) ausgeführt ist.
9. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Schaltelement (8) als reversibles Schaltelement (8) ausgeführt ist.
10. Batterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zellpole (3, 4) verschiedener Batterieeinzelzellen (2) direkt miteinander, aneinander anliegend elektrisch kontaktiert sind.
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