EP4430698A1 - Vorrichtung zum elektrischen kontaktieren eines anschlusspols - Google Patents

Vorrichtung zum elektrischen kontaktieren eines anschlusspols

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EP4430698A1
EP4430698A1 EP22786267.9A EP22786267A EP4430698A1 EP 4430698 A1 EP4430698 A1 EP 4430698A1 EP 22786267 A EP22786267 A EP 22786267A EP 4430698 A1 EP4430698 A1 EP 4430698A1
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EP
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main direction
connection
terminal
area
conductor
Prior art date
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Pending
Application number
EP22786267.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Kastler
Manuel RIEGLER
Georg FRIESENECKER
Philipp KREGL
Matthias PALMETSHOFER
Philipp KREISEL
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John Deere Electric Powertrain LLC
Original Assignee
John Deere Electric Powertrain LLC
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a device for making electrical contact with a connection pole of a battery cell, comprising a safety fuse which is electrically connected to the connection pole and a contact point which is spaced apart from the connection pole in a main direction.
  • connection pole of a battery cell is contacted electrically via a contact spring as an electrical connection.
  • the contact spring that forms a safety fuse includes a contact point for an adjacent battery cell, so that the two battery cells that are spaced apart in a main direction are electrically connected to one another. If there is an increased current flow in the event of a fault, the contact spring in the area of the safety fuse melts and the connection to the adjacent battery cell is severed.
  • EP3660952A1 shows a battery module with several battery cells for which two conductor plates and one insulation plate are provided on the pole side.
  • the battery cells are electrically contacted via openings in the printed circuit boards via fuses.
  • EP3890102A1 also shows a battery module with a number of battery cells which are covered on the pole side by a contact plate and a protective element with a spacer. The battery cells are electrically contacted via fuses that are routed through openings in the contact plates.
  • LIS20170012331 A1 shows a battery module with several battery cells arranged between two printed circuit boards. The printed circuit boards each have two conductor contacts for each battery cell, which break, melt or burn in the event of a fault. An elastomer cushion is provided between the conductor contacts and the printed circuit board, which presses the conductor contacts out of the printed circuit board level and forms an insulating layer.
  • a disadvantage of the prior art is that the electrical connection can be maintained in the event of a thermal runaway and associated outgassing of the battery cell if the connection pole and thus the separated contact spring part are displaced.
  • the point in time at which melting occurs and the amperage required for it can be adversely affected by electrically conductive particles accumulating on the safety fuse.
  • active cooling of the battery cells also leads to indirect cooling of the safety fuse, making it even more difficult to specify the actual time when the fuse should actually melt.
  • the invention is therefore based on the object of ensuring that the electrical connection to the connection pole is reliably separated in the event of a specified overcurrent, regardless of any operating conditions or malfunctions.
  • the invention solves the problem in that the safety fuse, which is connected to the connection pole via a connection conductor and is spaced apart from the connection pole in the main direction by a spacer, runs in an insulation area which, in the main direction, is interspersed by an insulation element from an area adjacent to the connection pole and from the connection conductor, at least in sections danger area is separated.
  • the safety fuse which is connected to the connection pole via a connection conductor and is spaced apart from the connection pole in the main direction by a spacer, runs in an insulation area which, in the main direction, is interspersed by an insulation element from an area adjacent to the connection pole and from the connection conductor, at least in sections danger area is separated.
  • the preferably thermal insulation element thermally shields the insulation area from the danger area, so that components located between the insulation element and the contact point are not heated and thereby damaged by any escaping hot gases, and on the other hand soot formation, which unwanted electrical conductivity further increased, is reduced.
  • the insulating element that forms a physical barrier between the danger area and the isolation area and is preferably also electrically insulating prevents unintentional electrical contacting between the now defective battery cell and the contact point is established.
  • the spacer between the safety fuse and the connection pole also prevents the end of the battery cell facing the danger area from deforming in the event of a fault, for example due to the high pressure of the hot gas, protruding into the danger area and making unwanted electrical contact itself.
  • the distance between the terminal pole, and thus the battery cell, from the contact point can be kept essentially constant and preferably as small as possible during normal operation as well as in the event of a fault.
  • a small distance enables a spatially more efficient arrangement of the battery cell to the contact point and thus increases the energy density per volume.
  • a spacer is understood to mean a component that maintains the distance between the terminal pole and the safety fuse in all operational and fault situations.
  • the spacer can be designed to be dimensionally stable in all cases of operation and malfunction.
  • the spacer has a cylindrical, in particular a circular-cylindrical basic shape and is preferably arranged centrally on the connection pole, so that the connection pole and the spacer run concentrically to one another.
  • the safety fuse can also be arranged concentrically to the connection pole and to the spacer.
  • a danger area is understood to be the area of the battery cell into which in the event of an accident, conductive particles or hot gases are conducted out of the battery cell or in which, through other accident-related circumstances, an undesired electrical contact is made between the terminal pole and the contact point, for example due to an expansion of the battery cell casing.
  • the connection conductor extends in the main direction at least over the length of the spacer in order to enable electrical contact.
  • connection conductor forms the connection conductor.
  • a separate connection conductor does not have to be provided, which means that only the spacer has to penetrate the danger zone as a connection conductor.
  • the spacer must be able to counteract the expansive force of escaping hot gases and must have the appropriate rigidity or physical strength, which makes it less likely to be damaged in the event of a fault than a separate connection conductor. This ensures that the electrical connection to the safety fuse is maintained until the safety fuse itself is severed and repeated electrical contacting in the danger area does not result in a renewed electrical connection to the contact point.
  • the triggering behavior of the safety fuse can be further improved if the insulation area is delimited by a further thermal insulation element on the side opposite the danger area.
  • the second insulation element also prevents the heat generated in the fuse by the current flow from dissipating, so that unintentional cooling of the fuse by external influences can be avoided.
  • a chamber that is at least partially physically shielded from the contact point is formed between the two insulating elements, which chamber can form a further thermally insulating layer in addition to the thermally insulating properties of the insulating elements. This further prevents the heat released when the safety fuse melts strongly transferred to the contact point.
  • this further thermal insulation element is also electrically insulating, in order to prevent unintentional electrical contacting of the contact point via this insulation element after the safety fuse has blown.
  • the structural height of the device according to the invention can be reduced if the safety fuse rests against one or both insulating elements, which of course must be designed to be electrically insulating for this purpose.
  • an insulation element can be easy to produce and have a low weight if a thermal insulation element consists of mica.
  • Mica has a high melting point and is easy to split, making it easy to manufacture lightweight and temperature-resistant insulation elements.
  • insulating elements with a desired, precisely defined thickness can be produced within low manufacturing tolerances, which can be adapted to the expected material loads.
  • mica is electrically insulating.
  • other materials such as epoxies or ceramics can also be used as materials for the insulating element.
  • the insulation area can be delimited at least in sections transversely to the main direction by a separating element that spaces the two thermal insulation elements from one another.
  • a separating element that spaces the two thermal insulation elements from one another.
  • the contact point can be physically and thermally shielded even better if the thermal insulation element lying opposite the danger zone rests on a contact spring that encompasses the thermal insulation element.
  • the contact spring allows the electrical contacting of the contact point to be routed around the edge of the insulating element, as a result of which no opening in the insulating element is necessary to carry out the electrical contacting.
  • the contact spring can, for example, contact another battery cell or another electrical conductor, such as a contact plate.
  • the connecting conductor can be connected particularly easily both to the safety fuse and to the connecting pole if the cross-sectional area of the connecting conductor is at least 75%, preferably at least 80%, more preferably at least 90% and even more preferably at least 100% of the end face of the connecting pole .
  • a mechanically stable connection is thereby possible which, on the one hand, can be easily implemented in terms of production technology due to the large surface coverage and, on the other hand, has a lower electrical resistance.
  • Due to the required large cross-sectional area of the connection conductor compared to the connection pole, the use of an electrically conductive spacer as the connection conductor is particularly suitable here, because this not only achieves high mechanical stability, but also low electrical resistance.
  • the connection conductor forms a connection flange for the integral connection to the connection pole.
  • hot gases occur in the event of a fault, they can be deflected away from the insulation layer if the connection conductor and/or the spacer forms a linear guide for a protective element that can be displaced from a rest position along the main direction into a tripping position.
  • the protective element covers the area of the battery cell from which hot gases or conductive particles can escape in the event of a fault.
  • the pressure of these hot gases causes a displacement of the protective element along the connection conductor and/or the spacer, which thereby absorbs part of the kinetic energy of the hot gas and this deflects transversely to the main direction.
  • the protective element If sufficient kinetic energy is transferred to the protective element, the protective element is shifted into the tripping position, in which case it additionally shields and protects the insulating element facing the danger zone. If the connecting conductor forms the linear guide for the protective element, its electrical conductivity is not impaired and the electrical connection between the connecting pole and the contact point can still be interrupted in a controlled manner via the safety fuse.
  • the protective element can be secured against displacement from the rest position under a triggering acceleration of less than 100 g.
  • a triggering acceleration of less than 100 g.
  • the protective element can be held in the rest position in a non-positive manner, for example by a spring.
  • the protective element can also be fixed in the rest position with a form fit or material connection, in which case a predetermined breaking point can be provided which breaks when a force corresponding to an acceleration of 100 g is exceeded.
  • the force proportional to the trip acceleration can be calculated by multiplying the trip acceleration by the mass of the protection element.
  • the protective element can have retaining tabs that break when the force proportional to the triggering acceleration is exceeded.
  • the invention also relates to a battery system with a plurality of devices according to the invention adjoining one another transversely to the main direction.
  • the connection poles of the devices are arranged on the front end sections of battery cells in a first group and the contact points of the devices form contact springs for contacting, preferably for embracing the end sections of battery cells in a second group on the shell side.
  • the fixtures between the two Groups formed a continuous danger area. If a fault occurs in a battery cell that leads to hot gas escaping, the protective element of the protective device placed on this battery cell is shifted from the rest position to the triggering position, which not only prevents the escaping hot gas from reaching the battery cell adjacent in the main direction to reach, but is also diverted into the continuous danger area.
  • the diverted flow of hot gas in the immediate vicinity of the outgassing battery cell also has a directional component directed against the main direction as it bounces off the protective element, the battery cells lying transversely to the main direction are protected by the protective elements of the adjacent protective devices that are in the rest position. In particular, this keeps the flow of hot gas away from the outgassing areas of the surrounding battery cells, so that a chain reaction of several incidents can be effectively avoided.
  • FIG. 1 is an exploded view of a device according to the invention.
  • FIG. 2 is a larger-scale section along line II-II of FIG.
  • a device comprises a safety fuse 1 which is electrically connected to the connection pole 2 of a battery cell 3 .
  • the safety fuse 1 is electrically connected to a contact point 4, which can be, for example, a contact spring for contacting another battery cell shown in broken lines in FIG.
  • the connection pole 2 is spaced apart from the fuse 1 in a main direction 5 , the connection pole 2 being connected to the fuse 1 via a connection conductor 6 .
  • the safety fuse 1 is within an isolation area 7 arranged, which is separated by an insulating element 8 from a danger zone 9 adjoining the connection pole 2 . Accordingly, the connection conductor 6 passes through the danger area 9, as can be seen in particular from FIG.
  • connection conductor 6 forms a spacer that separates the connection pole 2 from the safety fuse 1 in the main direction 5 .
  • the insulation area 7 can be delimited by a further insulation element 10 on the side opposite the danger area 9 .
  • Both the insulation element 8 and the insulation element 10 can be a mica disk.
  • the insulation area 7 can be delimited by a separating element 11, on which the insulation elements 8 and 10 are supported.
  • the separating element 11 is part of a carrier 12 which has latching arms 13 for the non-positive and/or positive connection of the battery cell 3 .
  • This carrier 12 can form a receptacle 14 for a further battery cell on the side opposite the latching arms 13, as is indicated in FIG.
  • the insulating element 10 can cover the base of the receptacle 14 , while the insulating element 10 is encompassed laterally by a contact spring as a contact point 4 .
  • the connecting conductor 6 designed as a spacer forms a linear guide for a protective element 15, which can be displaced along the main direction 5 between a rest position and a tripping position.
  • the latching arms 13 can also form linear guides for this protective element 15 .
  • the protective element 15 Have retaining tabs 16, which engage around the locking arms 13 in a form-fitting manner and which have a predetermined breaking point 17, which is designed so that it breaks at a triggering acceleration of more than 100g, so that the protective element 15 can be shifted from the rest position to the triggering position.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren eines Anschlusspols (2) einer Batteriezelle (3), umfassend eine Schmelzsicherung (1), die mit dem Anschlusspol (2) und einer in einer Hauptrichtung (5) vom Anschlusspol (2) beabstandeten Kontaktstelle (4) elektrisch verbunden ist, beschrieben. Um eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass sichergestellt werden kann, dass die elektrische Verbindung zum Anschlusspol unabhängig von etwaigen Betriebsbedingungen oder Störfällen bei einem vorgegebenem Überstrom zuverlässig getrennt wird, wird vorgeschlagen, dass die über einen Anschlussleiter (6) mit dem Anschlusspol (2) verbundene und in Hauptrichtung (5) über einen Abstandshalter vom Anschlusspol (2) beabstandete Schmelzsicherung (1) in einem Isolationsbereich (7) verläuft, der in Hauptrichtung (5) durch ein Isolationselement (8) von einem an den Anschlusspol (2) angrenzenden und vom Anschlussleiter (6) wenigstens abschnittsweise durchsetzten Gefahrenbereich (9) abgetrennt ist.

Description

Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren eines Anschlusspols
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren eines Anschlusspols einer Batteriezelle, umfassend eine Schmelzsicherung, die mit dem Anschlusspol und einer in einer Hauptrichtung vom Anschlusspol beabstandeten Kontaktstelle elektrisch verbunden ist.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt (AT522256A1 ), bei denen der Anschlusspol einer Batteriezelle elektrisch über eine Kontaktfeder als elektrische Verbindung kontaktiert wird. Die eine Schmelzsicherung ausbildende Kontaktfeder umfasst eine Kontaktstelle für eine benachbarte Batteriezelle, sodass die beiden in einer Hauptrichtung beabstandeten Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden sind. Kommt es bei einem Störfall zu einem erhöhten Stromfluss schmilzt die Kontaktfeder im Bereich der Schmelzsicherung ab und die Verbindung zur benachbarten Batteriezelle wird getrennt.
Die EP3660952A1 zeigt ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen für die polseitig zwei Leiter- und eine Isolationsplatte vorgesehen sind. Die Batteriezellen werden über Öffnungen in den Leiterplatten über Schmelzsicherungen elektrisch kontaktiert.
Die EP3890102A1 zeigt ebenso ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, die polseitig von einem Kontaktblech und einem Schutzelement mit Abstandhalter bedeckt werden. Die Batteriezellen werden über Schmelzsicherungen, die durch Durchbrüche in den Kontaktblechen geführt werden, elektrisch kontaktiert. Die LIS20170012331 A1 zeigt ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, die zwischen zwei Leiterplatten angeordnet sind. Die Leiterplatten weisen je zwei Leiterkontakte je Batteriezellen auf, die im Störfall brechen, schmelzen oder verbrennen. Zwischen den Leiterkontakten und der Leiterplatte ist ein Elastomerkissen vorgesehen, dass die Leiterkontakte aus der Leiterplattenebene drückt und eine Isolationsschicht bildet.
Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass die elektrische Verbindung im Falle eines Thermal Runaway und eines damit verbundenen Ausgasens der Batteriezelle erhalten bleiben kann, wenn es zu einer Verlagerung des Anschlusspols und damit des abgetrennten Kontaktfederteils kommt. Darüber hinaus kann der Zeitpunkt des Abschmelzens und die dafür benötigte Stromstärke durch sich an der Schmelzsicherung anlagernde elektrisch leitfähige Partikel beeinträchtigt werden. Schließlich führt auch eine aktive Kühlung der Batteriezellen zu einer indirekten Kühlung der Schmelzsicherung, sodass die Vorgabe des tatsächlichen Zeitpunkts des Abschmelzens weiter erschwert wird.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, sicherzustellen, dass die elektrische Verbindung zum Anschlusspol unabhängig von etwaigen Betriebsbedingungen oder Störfällen bei einem vorgegebenem Überstrom zuverlässig getrennt wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die über einen Anschlussleiter mit dem Anschlusspol verbundene und in Hauptrichtung über einen Abstandshalter vom Anschlusspol beabstandete Schmelzsicherung in einem Isolationsbereich verläuft, der in Hauptrichtung durch ein Isolationselement von einem an den Anschlusspol angrenzenden und vom Anschlussleiter wenigstens abschnittsweise durchsetzten Gefahrenbereich abgetrennt ist. Zufolge dieser Maßnahmen werden einerseits im Isolationsbereich definierte Umgebungsbedingungen für die Schmelzsicherung geschaffen und andererseits eine Überbrückung der Schmelzsicherung durch den vom Abstandhalter vorgegebenen Abstand zum Anschlusspol durch aus der Batteriezelle austretende elektrisch leitfähige Partikel verhindert. Treten nämlich im Störfall Heißgase aus der Batteriezelle aus, schirmt das vorzugsweise thermische Isolationselement den Isolationsbereich thermisch vor dem Gefahrenbereich ab, sodass zwischen dem Isolationselement und der Kontaktstelle liegende Bauteile einerseits durch evtl, austretende Heißgase nicht erhitzt und dadurch beschädigt werden und andererseits Rußbildung, die die unerwünschte elektrische Leitfähigkeit weiters erhöht, vermindert wird. Werden im Störfall elektrisch leitende Bauteile unbeabsichtigt in den Gefahrenbereich verlagert und/oder treten elektrisch leitende Partikel aus der Batteriezelle aus, verhindert das eine physische Barriere zwischen dem Gefahrenbereich und dem Isolationsbereich bildende, vorzugsweise auch elektrisch isolierende Isolationselement, dass eine unbeabsichtigte elektrische Kontaktierung zwischen der nun defekten Batteriezelle und der Kontaktstelle hergestellt wird. Der Abstandhalter zwischen Schmelzsicherung und dem Anschlusspol verhindert darüber hinaus, dass sich die dem Gefahrenbereich zugewandte Stirnseite der Batteriezelle im Störfall, beispielsweise aufgrund des hohen Drucks des Heißgases, deformiert, in den Gefahrenbereich ragt und selbst eine unerwünschte elektrische Kontaktierung herstellt. Dadurch kann der Abstand des Anschlusspols, und damit der Batteriezelle, zur Kontaktstelle im Normalbetreib als auch im Störfall im Wesentlichen konstant und bevorzugter Weise möglichst geringgehalten werden. Ein geringer Abstand ermöglicht nämlich eine räumlich effizientere Anordnung der Batteriezelle zur Kontaktstelle und steigert somit die Energiedichte pro Volumen. Unter einem Abstandhalter wird dementsprechend ein Bauelement verstanden, das in allen Betriebs- und Störfällen den Abstand zwischen dem Anschlusspol und der Schmelzsicherung aufrechterhält. Insbesondere kann der Abstandshalter in allen Betriebs- und Störfällen formstabil ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Abstandhalter eine zylindrische, insbesondere eine kreiszylindrische Grundform und ist bevorzugt mittig auf dem Anschlusspol angeordnet, sodass der Anschlusspol und der Abstandshalter konzentrisch zueinander verlaufen. Die Schmelzsicherung kann ebenfalls konzentrisch zum Anschlusspol und zum Abstandshalter angeordnet sein. Im Sinne der Erfindung wird unter einem Gefahrenbereich der Bereich der Batteriezelle verstanden, in den im Störfall leitfähige Partikel oder Heißgase aus der Batteriezelle geleitet werden oder in dem über andere störfallbedingte Umstände eine unerwünschte elektrische Kontaktierung zwischen dem Anschlusspol und der Kontaktstelle, beispielsweise durch eine Ausdehnung des Batteriezellenmantels, hergestellt wird. Der Anschlussleiter erstreckt sich in Hauptrichtung wenigstens über die Länge des Abstandhalters, um eine elektrische Kontaktierung zu ermöglichen.
Der Konstruktionsaufwand kann reduziert werden, wenn der elektrisch leitend ausgebildete Abstandhalter den Anschlussleiter bildet. Zufolge dieser Maßnahmen muss kein separater Anschlussleiter vorgesehen sein, was bedeutet, dass nur der Abstandhalter als Anschlussleiter den Gefahrenbereich durchsetzen muss. Der Abstandhalter muss der Expansionskraft austretender Heißgase entgegenwirken können und muss eine dementsprechende Steifigkeit bzw. physische Widerstandsfähigkeit aufweisen, wodurch er im Störfall mit geringerer Wahrscheinlichkeit beschädigt wird als ein separater Anschlussleiter. Damit wird sichergestellt, dass die elektrische Verbindung zur Schmelzsicherung solange erhalten bleibt, bis die Schmelzsicherung selbst durchtrennt ist und somit eine abermalige elektrische Kontaktierung im Gefahrenbereich zu keiner erneuten elektrischen Verbindung zur Kontaktstelle führt.
Das Auslöseverhalten der Schmelzsicherung kann weiter verbessert werden, wenn der Isolationsbereich auf der dem Gefahrenbereich gegenüberliegenden Seite von einem weiteren thermischen Isolationselement begrenzt wird. Abgesehen von dem direkten physischen Schutz, der durch das Vorsehen eines weiteren Isolationselements als physischer Barriere verbessert wird, verhindert das zweite Isolationselement zusätzlich ein Abführen der in der Schmelzsicherung durch den Stromfluss erzeugten Wärme, sodass eine unbeabsichtigte Kühlung der Schmelzsicherung durch äußere Einflüsse vermieden werden kann. Darüber hinaus bildet sich zwischen den beiden Isolationselementen eine von der Kontaktstelle wenigstens teilweise physisch abgeschirmte Kammer, die zusätzlich zu den thermisch isolierenden Eigenschaften der Isolationselemente eine weitere thermisch isolierende Schicht ausbilden kann. Dadurch wird weiter verhindert, dass sich die beim Schmelzen der Schmelzsicherung freiwerdende Wärme zu stark auf die Kontaktstelle überträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses weitere thermische Isolationselement auch elektrisch isolierend, um nach einem Durchschmelzen der Schmelzsicherung eine unbeabsichtigte elektrische Kontaktierung der Kontaktstelle über dieses Isolationselement zu vermeiden. Die Aufbauhöhe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann verringert werden, wenn die Schmelzsicherung an einem oder beiden Isolationselementen anliegt, die zu diesem Zweck selbstverständlich elektrisch isolierend ausgebildet sein müssen.
Ein Isolationselement kann trotz guter thermischer Isolationseigenschaften leicht herstellbar sein und ein geringes Gewicht aufweisen, wenn ein thermisches Isolationselement aus Glimmer besteht. Glimmer weist einen hohen Schmelzpunkt auf und lässt sich leicht spalten, wodurch fertigungstechnisch einfach leichte und temperaturresistente Isolationselemente hergestellt werden können. Außerdem lassen sich aufgrund der einfachen Spaltbarkeit von Glimmer Isolationselemente mit gewünschter, präzise definierter Dicke innerhalb geringer Fertigungstoleranzen herstellen, die an die erwarteten materiellen Belastungen angepasst werden können. Ferner ist Glimmer elektrisch isolierend. Neben Glimmer können auch andere Materialien, wie Epoxide oder Keramik als Werkstoffe für das Isolationselement verwendet werden.
Je nach den zu erwartenden auftretenden Situationen im Störfall kann der Isolationsbereich quer zur Hauptrichtung wenigstens abschnittsweise von einem Trennelement begrenzt werden, dass die beiden thermischen Isolationselemente voneinander beabstandet. Zufolge dieser Maßnahmen wird auch eine Wärmeabfuhr aus dem Isolationsbereich quer zur Hauptrichtung verringert, sodass der Auslösezeitpunkt der Schmelzsicherung noch besser vorgegeben werden kann. Sind im Betrieb hohe mechanische Belastungen, bzw. Vibrationen zu erwarten, kann das Trennelement nicht nur abschnittsweise, sondern vollständig um den Rand eines Isolationselements umlaufend ausgeführt sein, wodurch die Relativposition der beiden Isolationselemente zueinander auch bei einwirkenden mechanischen Kräften besser festgelegt werden kann. Die Kontaktstelle kann noch besser physisch und thermisch abgeschirmt werden, wenn das dem Gefahrenbereich gegenüberliegende thermische Isolationselement auf einer das thermische Isolationselement umgreifenden Kontaktfeder aufliegt. Durch die Kontaktfeder kann die elektrische Kontaktierung der Kontaktstelle um den Rand des Isolationselements herumgeführt werden, wodurch kein Durchbruch im Isolationselement zur Durchführung der elektrischen Kontaktierung nötig wird. Die Kontaktfeder kann beispielsweise eine weitere Batteriezelle oder einen anderen elektrischen Leiter, wie beispielsweise eine Kontaktplatte kontaktieren.
Der Anschlussleiter kann besonders einfach sowohl mit der Schmelzsicherung als auch mit dem Anschlusspol verbunden werden, wenn die Querschnittsfläche des Anschlussleiters wenigstens 75%, bevorzugter Weise wenigstens 80%, noch bevorzugter Weise wenigstens 90% und noch bevorzugter Weise wenigstens 100% der Stirnfläche des Anschlusspoles beträgt. Dadurch ist je nach Querschnitt des Anschlusspols und des Anschlussleiters eine mechanisch stabile Verbindung möglich, die sich aufgrund der großen Oberflächendeckung einerseits fertigungstechnisch einfach umsetzen lässt und andererseits einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist. Aufgrund der geforderten großen Querschnittsfläche des Anschlussleiters im Vergleich zum Anschlusspol bietet sich hier die Verwendung eines elektrisch leitenden Abstandhalters als Anschlussleiter besonders an, weil somit nicht nur eine hohe mechanische Stabilität, sondern auch ein geringer elektrischer Widerstand erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Anschlussleiter einen Anschlussflansch zum stoffschlüssigen Verbinden mit dem Anschlusspol.
Treten im Störfall Heißgase auf, können diese von der Isolationsschicht weggelenkt werden, wenn der Anschlussleiter und/oder der Abstandhalter eine Linearführung für ein aus einer Ruhestellung entlang der Hauptrichtung in eine Auslösestellung verlagerbares Schutzelement bildet. Das Schutzelement deckt in Ruhestellung den Bereich der Batteriezelle ab, aus dem im Störfall Heißgase oder leitfähige Partikel austreten. Der Druck dieser Heißgase bewirkt eine Verlagerung des Schutzelements entlang des Anschlussleiters und/oder des Abstandhalters, welches dadurch einen Teil der kinetischen Energie des Heißgases aufnimmt und dieses quer zur Hauptrichtung umlenkt. Wird ausreichend kinetische Energie auf das Schutzelement übertragen, wird das Schutzelement in die Auslösestellung verlagert, wobei es das dem Gefahrenbereich zugewandte Isolationselement zusätzlich abschirmt und schützt. Wenn der Anschlussleiter die Linearführung für das Schutzelement bildet, ist dessen elektrische Leitfähigkeit nicht beeinträchtigt und die elektrische Verbindung zwischen Anschlusspol und Kontaktstelle kann nach wie vor kontrolliert über die Schmelzsicherung unterbrochen werden.
Um eine unerwünschte Verlagerung des Schutzelements unabhängig von der räumlichen Ausrichtung der Vorrichtung oder etwaigen Vibrationen zu vermeiden, kann das Schutzelement gegen eine Verlagerung aus der Ruhestellung unter einer Auslösebeschleunigung von weniger als 100g gesichert sein. Versuche haben gezeigt, dass bei dieser Auslösebeschleunigung eine unerwünschte Verlagerung vermieden werden kann, die austretenden Heißgase die zu dieser Auslösebeschleunigung proportionale Kraft aber aufbringen, um eine Verlagerung des Schutzelements in die Auslösestellung zu bewirken. Das Schutzelement kann dabei kraftschlüssig, beispielsweise durch eine Feder, in der Ruhestellung gehalten werden. Alternativ oder ergänzend kann das Schutzelement auch form- oder stoffschlüssig in der Ruhestellung festgelegt werden, wobei eine Sollbruchstelle vorgesehen sein kann, die beim Überschreiten einer einer Beschleunigung von 100g entsprechenden Kraft bricht. Die zur Auslösebeschleunigung proportionale Kraft kann berechnet werden, indem die Auslösebeschleunigung mit der Masse des Schutzelements multipliziert wird. Beispielsweise kann das Schutzelement Haltelaschen aufweisen, die beim Überschreiten der zur Auslösebeschleunigung proportionalen Kraft brechen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Batteriesystem mit mehreren quer zur Hauptrichtung aneinander angrenzenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Bei einem solchen Batteriesystem sind in die Anschlusspole der Vorrichtungen an stirnseitigen Endabschnitten von Batteriezellen einer ersten Gruppe angeordnet und die Kontaktstellen der Vorrichtungen bilden Kontaktfedern zum Kontaktieren, vorzugsweise zum mantelseitigen Umgreifen der Endabschnitte von Batteriezellen einer zweiten Gruppe. Durch die Vorrichtungen wird zwischen den beiden Gruppen ein durchgehender Gefahrenbereich gebildet. Tritt dabei bei einer Batteriezelle ein Störfall auf, der zu einem Austreten von Heißgas führt, so wird das Schutzelement der auf diese Batteriezelle aufgesetzten Schutzvorrichtung aus der Ruhestellung in die Auslösestellung verlagert, wodurch das austretende Heißgas nicht nur daran gehindert wird, zur in Hauptrichtung angrenzenden Batteriezelle zu gelangen, sondern auch in den durchgehenden Gefahrenbereich umgeleitet wird. Da der umgeleitete Heißgasstrom in unmittelbarer Umgebung der ausgasenden Batteriezelle durch das Abprallen am Schutzelement auch eine gegen die Hauptrichtung gerichtete Richtungskomponente aufweist, werden die quer zur Hauptrichtung umliegenden Batteriezellen durch die in Ruhestellung befindlichen Schutzelemente der benachbarten Schutzvorrichtungen geschützt. Insbesondere wird der Heißgasstrom dadurch von den Ausgasungsbereichen der umliegenden Batteriezellen ferngehalten, sodass eine Kettenreaktion mehrerer Störfälle wirksam vermieden werden kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II - II der Fig. 1 in einem größeren Maßstab.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Schmelzsicherung 1 , die mit dem Anschlusspol 2 einer Batteriezelle 3 elektrisch verbunden ist. Auf der dem Anschlusspol 2 gegenüberliegenden Seite ist die Schmelzsicherung 1 elektrisch mit einer Kontaktstelle 4 verbunden, bei der es sich beispielsweise um eine Kontaktfeder zum Kontaktieren einer weiteren, in der Fig. 2 strichpunktiert eingezeichneten Batteriezelle handeln kann. Der Anschlusspol 2 ist in einer Hauptrichtung 5 von der Schmelzsicherung 1 beabstandet, wobei der Anschlusspol 2 über einen Anschlussleiter 6 mit der Schmelzsicherung 1 verbunden ist. Die Schmelzsicherung 1 ist innerhalb eines Isolationsbereichs 7 angeordnet, der durch ein Isolationselement 8 von einem an den Anschlusspol 2 angrenzenden Gefahrenbereich 9 getrennt ist. Dementsprechend durchsetzt der Anschlussleiter 6 den Gefahrenbereich 9, wie dies insbesondere der Fig. 2 entnommen werden kann.
In der dargestellten Ausführungsform bildet der Anschlussleiter 6 einen Abstandhalter, der den Anschlusspol 2 von der Schmelzsicherung 1 in Hauptrichtung 5 trennt.
Zur Verbesserung der Auslösebedingungen der Schmelzsicherung 1 kann der Isolationsbereich 7 auf der dem Gefahrenbereich 9 gegenüberliegenden Seite von einem weiteren Isolationselement 10 begrenzt werden. Sowohl beim Isolationselement 8 als auch beim Isolationselement 10 kann es sich um eine Glimmerscheibe handeln.
Quer zur Hauptrichtung 5 kann der Isolationsbereich 7 von einem Trennelement 11 begrenzt werden, auf dem die Isolationselemente 8 und 10 abgestützt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Trennelement 11 Teil eines Trägers 12, der Rastarme 13 zum kraft- und/oder formschlüssigen Verbinden der Batteriezelle 3 aufweist. Dieser Träger 12 kann auf der den Rastarmen 13 gegenüberliegenden Seite eine Aufnahme 14 für eine weitere Batteriezelle bilden, wie dies in der Fig. 2 angedeutet ist.
Dabei kann das Isolationselement 10 den Grund der Aufnahme 14 abdecken, während das Isolationselement 10 seitlich von einer Kontaktfeder als Kontaktstelle 4 umgriffen wird.
In der dargestellten Ausführungsform bildet der als Abstandshalter ausgestaltete Anschlussleiter 6 eine Linearführung für ein Schutzelement 15, das zwischen einer Ruhestellung und einer Auslösestellung entlang der Hauptrichtung 5 verlagert werden kann. Neben dem Anschlussleiter 6 und/oder dem Abstandhalter können auch die Rastarme 13 Linearführungen für dieses Schutzelement 15 bilden. Wie insbesondere der Fig. 1 entnommen werden kann, kann das Schutzelement 15 Haltelaschen 16 aufweisen, die die Rastarme 13 formschlüssig umgreifen und die eine Sollbruchstelle 17 aufweisen, die so ausgebildet ist, dass sie bei einer Auslösebeschleunigung von mehr als 100g bricht, sodass das Schutzelement 15 aus der Ruhestellung in die Auslösestellung verlagert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum elektrischen Kontaktieren eines Anschlusspols (2) einer Batteriezelle (3), umfassend eine Schmelzsicherung (1 ), die mit dem Anschlusspol (2) und einer in einer Hauptrichtung (5) vom Anschlusspol (2) beabstandeten Kontaktstelle (4) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die über einen Anschlussleiter (6) mit dem Anschlusspol (2) verbundene und in Hauptrichtung (5) über einen Abstandshalter vom Anschlusspol (2) beabstandete Schmelzsicherung (1 ) in einem Isolationsbereich (7) verläuft, der in Hauptrichtung (5) durch ein Isolationselement (8) von einem an den Anschlusspol (2) angrenzenden und vom Anschlussleiter (6) wenigstens abschnittsweise durchsetzten Gefahrenbereich (9) abgetrennt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter elektrisch leitend ausgebildet ist und den Anschlussleiter (6) bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbereich (7) auf der dem Gefahrenbereich (9) gegenüberliegenden Seite von einem weiteren Isolationselement (10) begrenzt wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationselement (8, 10) aus Glimmer besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbereich (7) quer zur Hauptrichtung (5) wenigstens abschnittsweise von einem Trennelement (11 ) begrenzt wird, dass die beiden Isolationselemente (8, 10) voneinander beabstandet.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Gefahrenbereich (9) gegenüberliegende Isolationselement (10) auf einer das Isolationselement (10) umgreifenden Kontaktfeder aufliegt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsfläche des Anschlussleiters (6) wenigstens 75% der Stirnfläche des Anschlusspoles (2) beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussleiter (6) und/oder der Abstandhalter eine Linearführung für ein aus einer Ruhestellung entlang der Hauptrichtung in eine Auslösestellung verlagerbares Schutzelement (15) bildet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (15) gegen eine Verlagerung aus der Ruhestellung unter einer Auslösebeschleunigung von weniger als 100g gesichert ist.
10. Batteriesystem mit mehreren quer zur Hauptrichtung aneinander angrenzenden Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspole (2) der Vorrichtungen an stirnseitigen Endabschnitten von Batteriezellen (3) einer ersten Gruppe angeordnet sind und dass die Kontaktstellen (4) der Vorrichtungen Kontaktfedern zum Kontaktieren der Endabschnitte von Batteriezellen einer zweiten Gruppe bilden.
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