原電池保護裝置的製作方法
2023-10-09 08:56:34
專利名稱：原電池保護裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及原電池保護裝置、具有該保護裝置的原電池以及源於該原電池的電池。電池由串聯和/或並聯的單個電池單元組成，該單個電池單元經常與屬於其的電子設備和冷卻劑位於共同的殼體中。在汽車技術中，該電池，特別是高電壓電池，尤其用作電動車的牽引用電池和混合動力汽車的能量緩衝器。這種電池單元可例如由於過充電、由於短路或由於其他原因損壞或以其他方式使其預期功能發生故障。
背景技術：
已知的例如鋰離子電池，其在過充電或短路的電池單元中中斷電路。這樣例如已知的，當該電池單元過熱時，其殼體在針對的減弱位置，例如通過爆破片的輔助，在電池單元內部壓力同時升高的作用下裂開並且由此從電極線圈到電池電極的電性接觸斷開。該已知的解決方案在某些情況下伴有缺點，通過在電池單元側斷開電路使與損壞的電池單元串聯的電池單元同樣無法再傳出電流。特別地在電動車中這可導致全部損壞(「故障」)。在混合動力汽車中，根據系統結構，例如內燃機不再可能重新啟動。為了避免該缺點提出一種裝置，在該裝置中從電性串聯中去除並同時旁路損壞的電池單元。在該已知的解決方案中，用於在電池單元側斷開電路和用於旁路損壞的電池單元的裝置常常從電池單元內部壓力升高中取得致動能量。因此，該已知的裝置只有當電池單元已經不可逆地損壞時才有效。在這種情況下，電池單元所含物，例如部分蒸發的電解質逸出，該電解質由於其導電性可引起其他的短路。在這種情況下維修該電池通常是不可能或沒有意義的，因為由於電解質的腐蝕作用短時間內侵蝕了電池的內部。
發明內容
本發明基於以下目的說明了極為有效的原電池保護裝置以及儘可能避免已知解決方案的相關問題。該目的通過根據權利要求1的原電池保護裝置來完成。其進一步通過根據其他從屬權利要求中任一項的產品來完成。本發明預先設置原電池的保護裝置，該裝置通過與電池單元的電極終端以適當方式連接的接觸元件連接到電池。根據本發明的保護裝置其特徵在於，其使用用於激活保護裝置的激活裝置。根據本發明的保護裝置在激活保護裝置時通過改變相互連接而旁路分配給它的電池單元且由此從電池組中電性去除該電池單元。以下將結合本發明的說明書來定義和說明所使用的術語。根據本發明應當將原電池理解為適於組成電池的合適的電或電化學電池單元，特別是一次電池單元或二次電池單元。該單元下文也稱為電池單元、單元或單個電池單元。將電池理解為串聯和/或並聯的該電池單元的互相連接。結合本發明，將原電池的互相連接理解為該電池單元的串聯和/或並聯連接的任何技術上可行的組合。其通過接觸元件的幫助，特別是藉由接觸片、導電軌、絕緣體等等的幫助，由該原電池電極終端合適的連接來產生。
在目前情況下，將激活裝置理解為任何用於激活根據本發明的保護裝置的裝置， 根據本發明的保護裝置可以旁路電池中針對的單個電池單元並且由此將該電池單元從電池組中電性地去除。術語電性去除是指相關電池單元的位置雖然在空間上留在電池組中， 然而通過旁路某個接觸從構成電池的多個電池單元的電性串聯和/或並聯連接中去除該電池單元。需要能量來藉助激活裝置激活保護裝置，例如因為為此必須移動接觸元件。根據本發明，激活裝置將從外部獲取該能量或通過儲能器來提供該能量，該儲能器為保護裝置或激活裝置的組件。這可以涉及每種可能類型的儲能器，特別地涉及機械的儲能器。當從外部供給用於激活所需的能量時，為此考慮所有類型合適的裝置，特別是電磁傳感器，例如電磁開關(繼電器等)，其藉助從外部供給的能量而啟動，因此例如從電池組取出，電池組剩餘的電池單元繼續有規律地工作。本發明優選的改進方案構成從屬權利要求的主題。
以下將根據優選的實施例以及藉由附圖更詳細地說明本發明。其中圖Ia根據本發明優選實施方式的電池單元串聯連接的電路圖，電池單元各自具有用於去除且旁路電性串聯連接的電池單元的有效可控的電池單元側裝置；圖Ib電池單元與保護裝置的開關的互相連接，在保護裝置中所有開關位於一位置，該位置導致所有電池單元的串聯連接；圖Ic電池單元的互相連接，在電池單元中開關位於一位置，該位置導致電池單元的旁路且因此導致其從電池組中去除；圖2根據本發明優選實施方式，電池單元與保護裝置的互相連接；圖3根據本發明優選實施方式，具有保護裝置的電池塊的側視圖；圖4根據本發明優選實施方式，圖3中示出的具有保護裝置的電池塊的上部放大視圖；圖5根據本發明優選實施例，具有保護裝置的電池單元的視圖；圖6根據本發明優選實施方式，保護裝置的細節圖；圖7圖6中示出實施方式的分解圖；圖8根據本發明優選實施方式，在未激活狀態(正常工作)下的保護裝置的側視圖；圖9a根據本發明優選實施方式，保護裝置的截面圖；圖9b圖9a中示出的實施方式在未激活狀態(正常工作)下的右部放大視圖；圖10根據本發明優選實施方式，具有激活的保護裝置的電池塊的視圖；圖11根據本發明優選實施方式，激活的保護裝置的側視圖；圖1 根據本發明優選實施方式，在激活的保護裝置的情況下保護裝置的截面圖；圖12b圖1 中所示實施方式的激活的保護裝置的右部放大視圖。
具體實施方式
如圖Ia中所示，根據本發明的保護裝置基本的工作原理為，通過旁路來從多個電池單元的互相連接中合適地去除損壞的電池單元。為此預先設置旁路104、105、106，該旁路在開關101、102、103中的一個激活的情況下使電極107與相鄰電池單元的同名電極連接。在保護裝置未激活的狀態下電極108與之相反地和與其不同名的相鄰電池單元的電極連接。圖Ib和Ic以相同的方式示出根據本發明的保護裝置的基本工作原理。因為圖Ib
中所有的開關Sib、S2b.....S^3位於相應的相同位置，所以圖Ib中呈現出電池單元Zlb、
Z2b.....Z5b的串聯連接。圖Ic中開關S2c位於激活位置，藉此電池單元Z2c在互相連接
上去除。如圖2所示，藉助接觸元件產生電池單元的互相連接。例如在圖2中圖示的導電軌205、209和212是這樣的接觸元件。電極(導電體)203或204以合適的方式與接觸元件連接或不連接。根據本發明的保護裝置優選地各自設置在兩個相鄰電池單元的條狀電極 (「導電體」)之間。用於激活保護裝置的致動能量例如存儲在波狀彈簧208中，其通過在圖7和9中圖示的熔斷絲711、811、911保持在其原始位置。在故障開始時，該熔斷絲由電流脈衝熔斷並且在圖2、7和9中示出的波狀彈簧208、708和908使直至現在的電性串聯連接上升到相鄰電池單元向前移動的導電軌上並且朝向第二導電軌按壓該導電軌，該第二導電軌電性繞過損壞的電池單元。根據本發明優選的實施方式，根據本發明的保護裝置裝備有儲能器，該儲能器存儲用於改變互相連接所需的能量並且當激活時可用。這可涉及機械儲能器或其他儲能器， 例如化學或電學儲能器。在圖2、4、5、6、7、8、9、10、11和12中示出了簡單構造的儲能器208、 408、508、608、708、808、908、1008、1108、1208。以下通過支架 210、310、910、1010、1110 來保持波狀彈簧 208、408、508、608、708、808、908、1008、1108、1208。熔斷絲 711、811、911、1111 使該波狀彈簧保持在其原始位置和原始形狀，也就是說在繃緊狀態。如果絲熔斷，則波狀彈簧使接觸片 207、407、507、607、707、808、907、1007、1207 上升並且朝嚮導電軌 1105、1205 按壓該接觸片。斷開到接觸片1106的接觸。因此實現電池單元的旁路。保護裝置優選地位於殼體中，該殼體在附圖中未圖示。該殼體優選地氣密密封且必要時充滿惰性保護氣體從而避免腐蝕。優選地為每個電池單元有效且獨立地控制根據本發明的保護裝置，這樣單獨從電路中去除並旁路相關受損的電池單元。例如電池電子設備通過監視電池單元電壓和/或電池單元溫度確定電池單元開始發生故障，可以預防性地觸發該裝置。電池單元以少許減小的電壓等級保持繼續工作。根據本發明的解決方案，在該解決方案中用於激活的能量並不從一與涉及發生故障或破壞、旁路的電池單元相關的過程中取出，而在該方案中用於激活的能量從保護裝置之外供給或從儲能器中取出，該儲能器優選為保護裝置或激活裝置的組件，具有該優勢可將發生故障的相關電池單元在早期階段從電池組中電性去除，在該早期階段尚未開始破壞電池單元或甚至已經經過一段時期，可以在破壞過程中取出用於激活保護裝置所需的能量。在許多情況下藉此可避免破壞電池單元。在有利的情況下，經過一定時間恢復或修復的旁路的電池單元可能再容納在電池組中。假設保護裝置的激活及時早地發生，旁路的電池單元甚至本身還能提供用於激活其保護裝置的能量。由此可見在從電池組中通過旁路電性去除電池單元之前，其可作為保護裝置的儲能器。根據本應用，根據本發明的保護裝置裝備有激活裝置，可通過一信號激活該激活裝置，該信號可在保護裝置內或外部產生。優選兩個方案中的哪一個主要取決於激活事件的類型。例如可能的是電池單元電子設備監視單個電池單元的電池單元電壓並且將測量結果傳達到電池外部的中央控制單元，接著該中央控制單元本身為該電池單元或該多個電池單元產生用於激活保護裝置的信號並且傳達到相關的保護裝置或多個保護裝置，該保護裝置或多個保護裝置分配給要旁路的電池單元。根據本發明特別優選的實施方式的保護裝置預先設置有激活裝置，可通過信號激活該激活裝置，該信號由至少一傳感器產生，該傳感器測量至少一物理量，該物理量表明電池單元的工作狀態，該電池單元分配有保護裝置。該傳感器例如可為溫度傳感器，其配置在每個電池單元中並且持續測量其分配到的電池單元的溫度。這裡還給出了各種不同的方案來評估測量結果。例如可能的是溫度傳感器局部地產生用於激活電池單元保護裝置的信號，該傳感器持續地測量電池單元的溫度。但是同樣可能由中央控制器一起評價該傳感器和/或其他傳感器，例如溫度和電壓傳感器的測量結果，來藉助特殊決策邏輯根據多個測量結果產生用於激活單個電池單元的保護裝置的信號，接著將該信號傳達到該電池單元的保護裝置的激活裝置並且在那激活相關的保護裝置。根據本發明同樣優選的實施方式，保護裝置預先設置為當隨後不需要時可取消其用於激活的激活裝置的激活，緊接著該保護裝置相反地橋接分配到的電池單元，藉此該電池單元重新集成到電池組中。根據本發明保護裝置的激活裝置也可優選地這樣實施，例如相關的電池單元冷卻之後使其重新接入到電池組。為此所需的能量可例如從此時重新工作的電池單元自身或從電池組中剩餘的其他電池單元中取出。優選地當接入時可令用於激活保護裝置的儲能器重新充電。根據本發明同樣優選的實施方式，預先設置保護裝置，其這樣實施，可將其設置在相鄰電池單元的電極終端之間。圖3、4、8、10和11示出了本發明該實施例的視圖。根據本發明同樣優選的實施方式，預先設置具有激活裝置的保護裝置，其包括熔斷絲，該熔斷絲使作為儲能器的波狀彈簧保持緊繃狀態並且其通過電流脈衝激活，該電流脈衝使熔斷絲熔斷，緊接著該波狀彈簧放鬆並且同時使用於改變互相連接所需的能量可用。該儲能器的機械結構例如相比於激活裝置的外部主動控制-特別強大地對抗幹擾並且一由於不用考慮信號線一低成本地製造。此外根據本發明的保護裝置優選地具有氣密密封的殼體。根據本發明的保護裝置特別優選地其殼體充滿惰性的保護氣體。與充滿外界空氣的殼體相比，合適地選擇保護氣體通常更好地防腐蝕。圖5示出了具有根據本發明保護裝置的電池單元501。電極503和504通過合適的接觸片506和507與導電軌509連接。當激活電池單元501的保護裝置時波狀彈簧508 改變接觸片507的位置。圖6示出了根據本發明具有電極603、604，波狀彈簧608以及接觸片606和607的保護裝置的放大視圖。如圖7中所示，波狀彈簧708設置在支架710上，該支架可使當熔斷絲711熔斷時放鬆的波狀彈簧不向下偏移，因此該支架在激活保護裝置時必須向上擠壓電極704的接觸片707。
從圖8中可以清楚地看出，在激活前接觸片707或807與相鄰電池單元802的接觸片806接觸。激活之後其通過熔斷絲811的熔斷與導電軌805接觸。
圖9a、9b或1 和12b的側截面圖示出了激活之前或之後的根據本發明保護裝置的同--實施方式。圖9a或12a示出了圖9b或12b中示出的截面的關係。
在附圖中使用以下附圖標記來辨認圖示的細節
201、301、801、1001、1101、1201
原電池，電池單元
202、302、802、1002、1102、1202
原電池，電池單元
203、503、603、803、1003、1103、1203
電極，導電體，導電片
204、504、604、704、1104
電極，導電體，導電片
205、405、805、905、1005、1205
導電軌，接觸元件
206、406、506、606、706、806、1106
電極的接觸片
207、407、507、607、707、807、907、1007、1107、1207
電極的接觸片
208、408、508、608、708、808、908、1008、1108、1208
波狀彈簧
209、409、509、709、1009
導電軌，接觸元件
910、1110、1210
波狀彈簧的支架
911、1011、1111、1211
熔斷絲
212、1012、1212
導電軌，接觸元件
1013
電極的接觸片
214,1014
電極的接觸片
1230
熔斷絲的斷裂點
390
圖4中圖示的圖3的細節
圖2、3、4、8、10和11示出了具有根據本發明的保護裝置的電池單元的電池的實施例。該電池優選地由多個保護裝置組成，該保護裝置設置在電池的相鄰電池單元之間。此外預先設置用於電池的電池單元的串聯連接和/或並聯連接的互相連接的多個接觸元件。 該接觸元件的第一部分設置為可移動的；該接觸元件的第二部分設置為不可移動的。第一電池單元的保護裝置的激活導致了可移動的第一接觸元件在保護裝置激活時移動並且朝向不可移動的第二接觸元件按壓，藉此第一電池單元被旁路並且因此從串聯連接中電性去除，其中該第一接觸元件在激活之前用於電性串聯相鄰的第二電池單元。
適用於本發明的所有實施例，損壞的電池單元的旁路或斷開、激活裝置的控制或類似任務可在本發明實際實現的情況下優選地藉助半導體元件而實施。例如半導體開關元件，例如晶閘管或場效應電晶體(例如功率M0SFET)很好地適用於該目的。這優選地可由溫度傳感器通過電子控制設備來電性控制。
權利要求
1.一種原電池(201、202、301、30幻保護裝置，其通過與電池單元的電極終端(203、 204,503,504)以適當方式連接的接觸元件(205、207、209、212、405、409、406、407、506、 507、509、606、607、707、709、805、806、807、809)而與電池相連接，其特徵在於，-保護裝置利用激活裝置(708、710、711)來激活保護裝置，-在激活保護裝置時，該保護裝置通過改變連接來旁路分配給該保護裝置的電池單元並從而將其從電池組中電性去除。
2.根據權利要求1所述的保護裝置，其包括儲能器，該儲能器存儲用於改變連接所需的能量並且在激活保護裝置時可用。
3.根據權利要求2所述的保護裝置，其具有機械儲能器(708、808、908、1008、1108、 1208)。
4.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，其能夠分配給電池的單個電池單元。
5.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，其具有激活裝置，該激活裝置能夠通過在保護裝置外部產生的信號來激活。
6.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，其具有激活裝置，該激活裝置能夠通過在保護裝置內產生的信號來激活。
7.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，其具有激活裝置，該激活裝置能夠通過由至少一個傳感器產生的信號來激活，該傳感器測量至少一個物理量，該物理量表明分配給該保護裝置的原電池的工作狀態。
8.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，當隨後不需要時能夠取消用於其激活的激活裝置的激活，緊接著該保護裝置相反地橋接分配到其的電池單元，藉此該電池單元重新集成到電池組中。
9.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，其這樣實施，即其能夠設置在相鄰電池單元的電極終端之間。
10.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，其具有激活裝置，-其包括熔斷絲(911、1211)，該熔斷絲使作為儲能器的波狀彈簧(908、1208)保持在緊繃狀態，且-其通過電流脈衝來激活，該電流脈衝使熔斷絲熔斷(1230)，緊接著波狀彈簧放鬆並且同時令用於改變連接所需的能量可用。
11.根據前述任一權利要求所述的保護裝置，其具有氣密密封的殼體。
12.根據權利要求11所述的保護裝置，其殼體充滿保護氣體。
13.一種原電池，其具有根據權利要求1到12任一項所述的保護裝置。
14.一種基於根據權利要求13所述的原電池的電池。
15.一種根據權利要求14所述的電池，其特徵在於，-在電池的相鄰電池單元之間設置多個保護裝置，-提供多個用於電池的電池單元串聯連接的接觸元件，-可移動地設置該接觸元件的第一部分，-不可移動地設置該接觸元件的第二部分，並且第一電池單元的保護裝置的激活導致可移動的第一接觸元件在該保護裝置激活時移動並且朝向不可移動的第二接觸元件按壓，藉此第一電池單元被旁路並且因此從串聯中電性去除，其中該第一接觸元件在激活之前用於電性串聯相鄰的第二電池單元。
全文摘要
原電池保護裝置，其通過與電池單元的電極終端以適當方式連接的接觸元件而連接到電池，可分配給電池的單個電池單元。保護裝置具有激活裝置(1008、1108、1208、1011、1111)用於其激活。當激活保護裝置時，該保護裝置通過改變連接來旁路分配給其的電池單元，並從而將其從電池組中電性去除。
文檔編號H01M10/42GK102292848SQ201080005059
公開日2011年12月21日 申請日期2010年1月11日 優先權日2009年1月20日
發明者延斯·梅恩斯徹, 蒂姆·謝弗 申請人:鋰電池科技有限公司