WO2011026596A2 - Schutzeinrichtung für galvanische zellen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a protective device for galvanic cells, a galvanic cell with such a protective device and a battery of such galvanic cells.
  • Batteries consist of series and / or parallel single cells, often with the associated electronics and cooling in a common housing.
  • batteries especially high-voltage batteries, u.a. used as a traction battery for electric vehicles and as an energy buffer for hybrid vehicles.
  • Such cells may be damaged, for example, by overcharging, by short circuit or by other causes or otherwise disturbed in their intended function.
  • lithium-ion batteries which interrupt the circuit when the cells are overloaded or short-circuited.
  • it is known, for example, in case of overheating of such a cell whose housing at a deliberately weakened point, for example by means of a rupture disk, under the action of the simultaneously increased internal pressure of the cell tear and thereby to separate the electrical contact from the electrode coil to the battery poles.
  • Such known solutions are in some cases associated with the disadvantage that due to the cell-side disconnection of the circuit, the cells connected in series with the defective cell can no longer deliver any current. Especially with electric vehicles, this can lead to total failure ("Lying down") lead.
  • restarting the internal combustion engine may not be possible, depending on the system structure.
  • the present invention has for its object to provide an effective protection device for galvanic cells and to avoid the problems associated with the known solutions as far as possible.
  • the invention provides a protective device for galvanic cells, which are connected together via a pole terminals of the cells suitably connected contact elements to a battery.
  • the protective device according to the invention is characterized in that it has an activation device for activating the protective device. When the protective device is activated, this protective device according to the invention bridges a cell assigned to it by a change in the interconnection and thus electrically removes this cell from the battery assembly.
  • a galvanic cell is to be understood as meaning an electrical or electrochemical cell, in particular a primary cell or a secondary cell, suitable for constructing a battery.
  • Such cells are also referred to below as battery cells, cells or single cells.
  • a battery is an interconnection of such cells - in series and / or parallel - to understand.
  • An interconnection of galvanic cells in connection with the present invention means any technically meaningful combination of series and / or parallel circuits of such cells. It is produced by suitable connection of the pole terminals of such galvanic cells with the aid of contact elements, in particular with the aid of contact plates, busbars, insulators, etc.
  • an activating device means any device for activating the protective device according to the invention, which enables a protective device according to the invention to selectively bypass individual cells of a battery and thus to electrically remove them from the battery combination.
  • electrically remove is meant that the cell concerned, although spatially in their position in the battery assembly remains, but this cell is taken out of the battery constituting electrical series and / or parallel connection of a plurality of cells by the bridging of certain contacts.
  • energy is required, for example, because this contact elements must be moved.
  • This energy is inventively the activation device of supplied externally or provided by an energy storage, which is part of the protection device or the activation device. This may be energy storage of any kind, in particular mechanical energy storage.
  • electromagnetic transducer such as electromagnetic switches (relays, etc.), which are operated by means of energy supplied from the outside, so for example the battery combination is removed, the remaining cells remain functional regularly.
  • FIG. 1 a shows a circuit diagram of a series connection of battery cells, each of which has an actively activatable cell-side device for taking out and bridging cells connected in series in accordance with a preferred embodiment of the invention
  • Fig. 1 b is an interconnection of battery cells with the switches of a
  • Figure 1 c shows an interconnection of battery cells, in which a switch is in a position which causes a bridging of a battery cell and thus their removal from the battery assembly.
  • Fig. 2 shows an interconnection of battery cells with protective devices according to a preferred embodiment of the invention; a side view of a cell block with protective devices according to a preferred embodiment of the present invention; an enlarged view of the upper part of the cell block shown in Figure 3 with a protective device according to a preferred embodiment of the present invention; the view of a cell with a protective device according to a preferred embodiment of the present invention; a detailed view of a protective device according to a preferred embodiment of the invention; an exploded view of the embodiment shown in Figure 6; a side view of a protective device according to a preferred embodiment of the invention in the non-activated state (normal operation); a sectional view of a protective device according to a preferred embodiment of the invention; an enlargement of the right part of the embodiment shown in Figure 9a in the non-activated state (normal operation); the view of a cell block with activated protection device according to a preferred embodiment of the present invention; a side view of an activated protective device according to a preferred embodiment of the present invention; 12a
  • FIG. 12b shows an enlarged view of the right-hand part of the embodiment of an activated protective device shown in FIG. 12a.
  • the principle of operation of a protective device according to the invention is to selectively remove a defective cell from an interconnection of multiple cells by bridging.
  • bridging 104, 105, 106 are provided which, in the activation case of one of the switches 101, 102, 103, connect an electrode 107 to the electrode of the same name of an adjacent cell.
  • the electrode 108 is connected to the opposite to her electrode of the neighboring cell.
  • FIGS. 1 b and 1 c show the principal mode of operation of the protective device according to the invention. Since all switches S1 b, S2b S5b are in a corresponding same position in FIG. 1b, a series connection of the cells Z1b, Z2b, Z5b is present in FIG. 1b. In Figure 1c, the switch S2c is in the activated position, whereby the cell Z2c is taken out on the interconnection.
  • the interconnection of battery cells by means of contact elements are the bus bars 205, 209 and 212 shown in FIG. 2.
  • the electrodes (headers) 203 and 204 are connected or not connected in a suitable manner to these contact elements.
  • the protective device according to the invention is preferably each arranged between the strip-shaped poles ("Abieitern") of two adjacent cells.
  • the actuation energy for the activation of the protective device is stored, for example, in a corrugated spring 208, which by a in Fig. 7 and 9 shown fuse wire 71 1, 81 1, 91 1 in his Starting position is held. At incipient malfunction of this fuse wire is melted through a current pulse and shown in Figs. 2, 7 and 9 corrugated spring 208, 708, 908 lifts the previously electrical series circuit to auxiliary cells making movable busbar and presses against a second busbar, which the defective Cell bypasses electrically.
  • the protective device is equipped with an energy storage device which stores the energy required to change the interconnection and makes it available upon activation. It may be a mechanical energy storage or other energy storage, such as chemical or electrical energy storage, act.
  • a simply constructed energy store 208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1008, 1, 108, 1208 is shown in FIGS. 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, and 12 shown.
  • a corrugated spring 208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1008, 1 108, 1208 is held from below by a bearing 210, 310, 910, 1010, 1 1 10.
  • a fusible wire 71 1, 81 1, 91 1, 1 1 11 holds this wave spring in its initial position and output form, ie in the tensioned state. If the wire melts, the corrugated spring raises the contact sheet 207, 407, 507, 607, 707, 807, 907, 1007, 1207 and presses it against the busbar 1 105, 1205. The contact with the contact sheet 1 106 is interrupted. Thus, the Kochbückung the cell is done.
  • the protective device is preferably located in a housing, which is not shown in the figures.
  • This housing is preferably hermetically sealed to avoid corrosion and, if necessary, filled with an inert protective gas.
  • the protective device according to the invention can preferably be activated actively and individually for each cell and thus individually remove and bridge the relevant damaged cell from the electric circuit.
  • the erfindunsteren solutions in which the energy for activation is not taken from a process that has to do with the malfunction or destruction of the affected, to be bridged cell, but in which the energy supplied to the activation of outside of the protection device or an energy storage is removed, which is preferably part of the protective device or the activation device, are associated with the advantage that a cell affected by a malfunction can be taken out at an early date electrically from the battery assembly, to which the destruction of the cell has not yet begun or even so far advanced that the energy required to activate the protective device could be taken from the destruction process. In many cases, destruction of the cell will be avoidable. Under favorable conditions, it is possible that a bridged cell can recover after a certain time and be re-absorbed into the battery pack.
  • the cell to be bridged can even supply the energy for activating its protective device. It can therefore act as an energy store of the protective device before it is removed from the battery assembly electrically by bridging.
  • a protective device is equipped with an activation device which can be activated by a signal which is generated inside or outside the protective device.
  • an activation device which can be activated by a signal which is generated inside or outside the protective device.
  • a signal which is generated inside or outside the protective device.
  • a battery electronics the cell voltage of individual Monitoring cells and passes the measurement results to a central control unit outside the battery, which in turn generates the signal for activating the protection of those cell or cells and forwards to the relevant protection device or protective devices that are assigned to the cells to be bridged.
  • a particularly advantageous embodiment of a protective device provides an activation device that can be activated by a signal that is generated by at least one sensor that measures at least one physical variable that is indicative of the operating state of the battery cell that is associated with the protective device.
  • sensors may be, for example, temperature sensors attached to each cell which continuously measure the temperature of their associated cell. Again, there are various possibilities for evaluating the measurement result.
  • a temperature sensor locally generates a signal for activating the protective device of the cell, the temperature of which it measures continuously.
  • a central control unit jointly evaluates the measurement results of these and / or other sensors, for example temperature and voltage sensors, in order to activate a protection activation signal for individual cells as a function of a plurality of measurement results with the aid of special decision logic which is then forwarded to the activation devices of the protective devices of these cells and there leads to the activation of the respective protective devices.
  • a protective device whose activation device can be deactivated in the event of subsequent elimination of the conditions for its activation, whereupon this protective device reverses the bridging of the cell assigned to it, as a result of which this cell is returned to the battery compartment.
  • the activation device of the protective device according to the invention can preferably also be designed so that, for example, after a cooling of the cell concerned, it can be switched back to the battery pack.
  • the energy required for this purpose can be taken, for example, from the now re-functioning cell itself or the other cells remaining in the battery assembly. In this connection, preferably, the energy storage for activating the protection device can be reloaded.
  • a protective device is provided, which is designed so that it can be arranged between the pole terminals of adjacent cells. Figures 3, 4, 8, 10 and 11 show illustrations of such embodiments of the present invention.
  • a protective device is provided with an activation device comprising a fusible wire, which holds a corrugated spring, which serves as an energy store in a tensioned state and which is activated by a current pulse, which melts the fuse wire, after which Well spring relaxes while the necessary to change the interconnection energy available.
  • This mechanical design of the energy store is - particularly in comparison to an external active control of the activation device - particularly robust against interference and - due to no signal lines - cost-effectively.
  • a protective device according to the invention with a hermetically sealed housing.
  • a protective device according to the invention the housing of which is filled with an inert protective gas. In comparison to a housing filled with ambient air, the corrosion protection is often better with a suitable choice of the protective gas.
  • 5 shows a battery cell 501 with a protective device according to the invention.
  • the electrodes 503 and 504 are connected to bus bars 509 via suitable contact sheets 506 and 507.
  • a wave spring 508 changes the position of the contact plate 507 upon activation of the protective device of the cell 501.
  • FIG. 6 shows an enlarged view of a protective device according to the invention with the electrodes 603, 604, the wave spring 608 and the contact sheets 606 and 607.
  • the wave spring 708 is mounted on a bearing 710, which ensures that the melting corrugated wire 711, the relaxing corrugated spring can not escape down, so they must push the contact plate 707 of the electrode 704 upon activation of the protective device upwards.
  • the contact plate 707 or 807 contacts the contact plate 806 of the adjacent cell 802 prior to activation. After activation by the melting of the fusible wire 811, it makes contact with the busbar 805.
  • FIGS. 9a, 9b and 12a and 12b respectively show the same embodiment of the protective device according to the invention before and after activation.
  • FIGS. 9a and 12a respectively show the relationship of the cutouts shown in FIGS. 9b and 12b.
  • an activation device for the protective device according to the invention in which at least one component of a shape memory material causes the change in the interconnection by a change in the shape of this device, as soon as and / or as long as the temperature of this device is outside a defined temperature range .
  • shape memory materials are known. Mainly such materials are metallic alloys, so-called shape memory alloys or shape memory plastics, which are also referred to as shape memory polymers. In the shape memory alloys, the shape conversion is based on a temperature-dependent lattice transformation of two different crystal structures of a material.
  • the high-temperature phase called the austerite and the low-temperature phase of the shape-memory material, also referred to as martensite. Both phases can merge into one another by a temperature change. This is also referred to as a two-way effect. This structural transformation is at least approximately independent of the rate of temperature change. To initiate the desired phase change, the parameters of temperature and mechanical stress are often approximately equivalent, ie the conversion can be brought about not only thermally but also often induced by voltage.
  • Shape memory alloys can transmit quite large forces without material fatigue in up to several hundred thousand cycles of motion. Their specific work capacity, ie the ratio of the work done to the material volume, far exceeds the specific working capacity of many other so-called actuator materials.
  • shape memory alloys In the applications of shape memory alloys, one often distinguishes the so-called one-way (memory) effect from the so-called two-way (memory) effect.
  • the one-way effect a one-time change in shape is observed when heating up a material sample which has previously been deformed pseudo-plastically in the martensitic state. This one-way effect allows only a one-time change in shape. The renewed cooling causes no further change in shape.
  • shape memory alloys also for the actuators, z.
  • the shape return occurs when cooling a component by an externally acting force, which forces the shape return.
  • This can e.g. be realized by a spring, which was stretched during the heating of the shape memory material.
  • shape memory alloys perform the return of the shape without the action of external forces. This process is also called an intrinsic two-way effect.
  • shape memory alloys can to some extent “remember” two forms - one each at high or low temperature.
  • the component made of a shape memory material In order for the component made of a shape memory material to assume its defined shape on cooling, it must first have been "trained” by thermomechanical treatment cycles. Here, the formation of stress fields in the material is effected, which promote the formation of certain martensite variants during cooling. The trained form for the cold state thus represents, so to speak, only one preferred form of the martensite structure. The transformation of the shape can only take place in the intrinsic two-way effect if no external forces act against it. Therefore, such a device is then unable to perform work on cooling.
  • shape memory alloys are alloys of nickel and titanium, copper and zinc, copper, zinc and aluminum, copper, aluminum and nickel, iron, nickel and aluminum.
  • shape memory polymers In addition to the metallic shape memory alloys, the shape memory polymers form a second important group of shape memory materials. Shape-memory polymers are plastics which have a so-called shape-memory effect, which can thus apparently "remember” their former outer shape despite an intervening strong deformation. Early known shape memory polymers consisted of two components. The first was an elastic polymer, a kind of "spring element", the second a hardening wax that could lock the "spring element” in any desired shape. If the shape memory polymer is heated, the wax softens and can no longer counteract the force of the spring element. The shape memory polymer resumes its original shape. As with the shape memory alloys, there are shape memory polymers that resume their original shape when heated. This behavior is referred to as the one-way memory effect, as in shape memory alloys.
  • polymers having a reversible shape memory effect which are not thermally but often optically controlled. Examples include so-called. Buthylacrylate, which crosslink on their side chains on cinnamic acid groups under ultraviolet light of a certain wavelength and solve the bond when irradiated with a different wavelength again. If such a component is irradiated on one side, a change in the shape of this material occurs via the one-sided crosslinking. In the meantime, magnetically controllable shape memory polymers have become known.
  • a preferred embodiment of the invention provides an electrically conductive component of a shape memory material as part of the activation device.
  • Electrically conductive shape memory materials can be used in various ways in connection with the present invention.
  • the electrically conductive component of the shape memory material flows through the same current, which also charges or discharges the galvanic cell, which is associated with the protective device containing the activation device, which contains the electrically conductive component of the shape memory material.
  • the electrically conductive component of a shape memory material that when a certain value of the current is exceeded Component flows through, the component is heated accordingly and that the component in the sequence interrupts the power.
  • the shape memory material component can be restored to its original shape by means of an elastic spring as soon as it has cooled down again after the current has been switched off.
  • two-way effect shape memory materials it is also possible to effect the recovery of the shape without an elastic spring alone by the memory effect of the material.
  • the shape memory material is not used for contacting the galvanic cell
  • another embodiment of the invention is contemplated in which an electrically insulating member made of a shape memory material is used.
  • the shape memory material component it will often be advantageous for the shape memory material component to perform, by its deformation, the work required to displace electrically conductive contact elements on the galvanic cell or within an array of galvanic cells such that the inventive variation the interconnection is effected, which allows a bridging of the galvanic cell and thus their removal from the battery assembly.
  • an electrically conductive component of a shape memory material When using an electrically conductive component of a shape memory material, a further embodiment of the invention is also possible, in which this component is traversed by the current, which is controlled by a signal that is generated inside and outside of the protective device for controlling the activation device.
  • a signal for activation may in turn be generated by a sensor measuring a physical quantity indicative of the operating state of a galvanic cell associated with the protection device because its activation means includes the shape memory material device.
  • thermistors can be advantageously used to limit inrush currents.
  • a thermistor which can also be used as a contact element in connection with galvanic cells according to the invention, is preferably cold before being switched on; he thus conducts poorly and reduces the inrush current. After switching on, it warms up due to the current flow and loses its high initial resistance.
  • Such thermistors can be used particularly advantageously if, after a short time, for example after a few milliseconds, they are short-circuited with the aid of an electromechanical switch (relay) so that they can cool down.
  • Thermistors or so-called “negative temperature coefficient thermistors”, also known as NTC thermistors, are current-carrying materials that conduct electricity better at high temperatures than at low temperatures, so their electrical resistance decreases with increasing temperature That is why we also speak of a negative temperature coefficient.
  • Thermally conductive behavior is exhibited by pure semiconductor materials and various other alloys with negative temperature coefficients. Components that specifically exploit the temperature-dependent behavior are often binder-added, pressed and sintered metal oxides. The resistance of such devices can be adjusted by the mixing ratio of different materials in a wide range.
  • Thermistors are often made from a mixture of semiconducting metal oxides or so-called compound semiconductors. These include special oxides of manganese, nickel, cobalt, iron, copper or even titanium.
  • PTC resistors A behavior that is opposite to thermistors is shown by so-called Kaft conductors, which are also referred to as PTC resistors or as PTC thermistors.
  • the abbreviation PTC stands for the positive temperature coefficient of these materials. These are conductive materials that conduct electricity better at low temperatures than at high temperatures. In principle, all metals have a positive temperature coefficient. However, in contrast to the PTC thermistors referred to herein, the temperature coefficient of ordinary metals is generally substantially smaller and is largely linear.
  • PTC thermistors can be used, for example, as contact elements in connection with the galvanic cells according to the invention described herein to stabilize the temperature of a galvanic cell.
  • the temperature of a single galvanic cell increases, it can be achieved by suitable arrangement of such a PTC thermistor that its temperature also increases and thus the resistance of this PTC thermistor component increases. Since its current conductivity decreases with increasing temperature, the current load of the corresponding wired electrochemical energy storage, so the galvanic cell is reduced, which will in many cases lead to this galvanic cell cools. After the galvanic cell has cooled, a PTC thermistor close to it will also cool down, whereupon its conductivity will increase again. As a result, the current can rise again through this PTC thermistor.
  • PTC thermistors can thus be used in connection with the present invention to limit the current in a galvanic cell when charging or from a galvanic cell during discharge and thus to keep the temperature of this galvanic cell stable.
  • thermistor or thermistor materials with shape memory materials can be achieved that not only the electrical conductivity of a contact element used for contacting a cell in a cell assembly contact element, so its electrical resistance changed, but it can be additionally achieved that at Reaching certain temperatures or when leaving certain temperature ranges, a change in shape of the corresponding component takes place, which leads to a changeover or to a change in the interconnection of the galvanic cells.
  • the following reference numerals have been used in the figures to identify the details shown:
  • FIGS 2, 3, 4, 8, 10 and 1 1 show embodiments of a battery of battery cells with protective devices according to the invention.
  • a battery preferably consists of a plurality of protective devices which are arranged between adjacent cells of the battery.
  • a plurality of contact elements for interconnecting a series circuit and / or parallel circuits of cells of the battery is provided. A first part of these contact elements is movably arranged; a second part of these contact elements is immovably arranged.
  • Activation of a protection means of a first cell causes a movable first contact element, which serves to activate an electrical series connection to an adjacent second cell, to be moved upon activation of the protection device and pressed against a stationary second contact element, thereby bridging the first cell, and thus electrically removed from the series circuit.

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Abstract

Eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen (201, 202, 301, 302), die über mit Polanschlüssen (203, 204, 503, 504) dieser Zellen in geeigneter Weise verbundene Kontaktelemente (205, 207, 209, 212, 405, 409, 406, 407, 506, 507, 509, 606, 607, 706, 707, 709, 805, 806, 807, 809) zu einer Batterie zusammengeschaltet sind, kann einzelnen Zellen einer Batterie zugeordnet werden. Die Schutzeinrichtung verfügt über eine Aktivierungseinrichtung (1008, 1108, 1208, 1011, 1111) zu ihrer Aktivierung. Bei Aktivierung der Schutzeinrichtung, überbrückt diese Schutzeinrichtung die ihr zugeordnete Zelle durch eine Veränderung der Zusammenschaltung und nimmt sie so aus dem Batterieverbund elektrisch heraus. In der Aktivierungseinrichtung bewirkt vorzugsweise ein elektrisch leitendes oder isolierendes Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial die Veränderung der Zusammenschaltung durch eine Änderung der Form dieses Bauelements, sobald und/oder solange die Temperatur dieses Bauelements außerhalb eines definierten Temperaturbereichs liegt.

Description

Schutzeinrichtung für galvanische Zellen
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen, eine galvanische Zelle mit einer solchen Schutzeinrichtung und eine Batterie aus solchen galvanischen Zellen.
Batterien bestehen aus in Reihe und/oder parallel geschalteten Einzelzellen, die sich häufig mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. In der Automobiltechnik werden solche Batterien, insbesondere Hochvolt-Batterien, u.a. als Traktionsbatterie für Elektrofahrzeuge und als Energiezwischenspeicher für Hybrid-Fahrzeuge eingesetzt. Solche Zellen können, beispielsweise durch Überladung, durch Kurzschluss oder durch andere Ursachen beschädigt oder auf andere Weise in ihrer bestimmungsgemäßen Funktion gestört sein.
Bekannt sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, die bei überladenen oder kurzgeschlossenen Zellen den Stromkreis unterbrechen. So ist es beispielsweise bekannt, bei Überhitzung einer solchen Zelle deren Gehäuse an einer gezielt geschwächten Stelle, beispielsweise mit Hilfe einer Berstscheibe, unter Wirkung des gleichzeitig erhöhten Innendrucks der Zelle aufzureißen und dabei den elektrischen Kontakt vom Elektrodenwickel zu den Batteriepolen zu trennen. Solche bekannten Lösungen sind in manchen Fällen mit dem Nachteil verbunden, dass durch die zellseitige Trennung des Stromkreises die mit der defekten Zelle in Reihe geschalteten Zellen ebenfalls keinen Strom mehr ab- geben können. Insbesondere bei Elektro-Fahrzeugen kann dies zum Totalausfall ("Liegenbleiber") führen. Bei Hybrid-Fahrzeugen kann - je nach Systemaufbau - beispielsweise der Neustart des Verbrennungsmotors nicht mehr möglich sein.
Zur Vermeidung dieser Nachteile sind Einrichtungen vorgeschlagen worden, bei denen eine defekte Zelle aus der elektrischen Reihenschaltung herausgenommen und gleichzeitig überbrückt wird. Bei solchen bekannten Lösungen bezieht die Vorrichtung zur zellseitigen Trennung des Stromkreises und zur Überbrückung der defekten Zelle ihre Betätigungsenergie häufig aus der Druckerhöhung im Inneren der Zelle. Diese bekannten Einrichtungen werden damit erst wirksam, wenn die Zelle bereits irreversibel geschädigt ist. In solchen Fällen kann Zellinhalt, beispielsweise ein teilweise verdampfter Elektrolyt, austreten, der wegen seiner elektrischen Leitfähigkeit weitere Kurzschlüsse hervorrufen kann. Eine Reparatur der Batterie ist in solchen Fällen häufig nicht mehr möglich oder sinnvoll, weil durch die korrosive Wirkung des Elektrolyten innerhalb kurzer Zeit das Innere der Batterie angegriffen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle Schutzeinrichtung für galvanische Zellen anzugeben und die mit den bekannten Lösungen verbundenen Probleme nach Möglichkeit zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen nach Anspruch 1 gelöst. Sie wird ferner gelöst durch ein Erzeugnis nach einem der weiteren unabhängigen Ansprüche. Die Erfindung sieht eine Schutzeinrichtung für galvanische Zellen vor, die über mit Polanschlüssen der Zellen in geeigneter Weise verbundene Kontaktelemente zu einer Batterie zusammengeschaltet sind. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine Aktivierungseinrichtung zur Aktivierung der Schutzeinrichtung verfügt. Diese erfindungs- gemäße Schutzeinrichtung überbrückt bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung eine ihr zugeordnete Zelle durch eine Veränderung der Zusammenschaltung und nimmt diese Zelle so aus dem Batterieverbund elektrisch heraus. lm Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe werden im Folgenden definiert und erläutert. Unter einer galvanischen Zelle im Sinne der vorliegenden Erfindung soll eine zum Aufbau einer Batterie geeignete elektrische oder elektrochemische Zelle, insbesondere eine Primärzelle oder eine Sekundärzelle, verstanden werden. Solche Zellen werden nachstehend auch als Batteriezellen, Zellen oder Einzelzellen bezeichnet. Unter einer Batterie ist eine Zusammenschaltung solcher Zellen - in Reihe und/oder parallel - zu verstehen.
Unter einer Zusammenschaltung von galvanischen Zellen ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jede technisch sinnvolle Kombination von Reihen- und/oder Parallelschaltungen solcher Zellen zu verstehen. Sie wird durch geeignete Verbindung der Polanschlüsse solcher galvanischen Zellen mit Hilfe von Kontaktelementen, insbesondere mit Hilfe von Kontaktblechen, Stromschienen, Isolatoren, etc. hergestellt.
Unter einer Aktivierungseinrichtung ist im vorliegenden Zusammenhang jede Einrichtung zur Aktivierung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung zu verstehen, die eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung in die Lage versetzt, gezielt einzelne Zellen einer Batterie zu überbrücken und so aus dem Batterieverbund elektrisch herauszunehmen. Mit dem Ausdruck elektrisch herausnehmen ist gemeint, dass die betroffene Zelle zwar räumlich an ihrer Position im Batterieverbund verbleibt, dass diese Zelle jedoch aus der die Batterie konstituierenden elektrischen Reihen- und/oder Parallelschaltung einer Mehrzahl von Zellen durch die Überbrückung bestimmter Kontakte herausgenommen wird. Zur Aktivierung der Schutzeinrichtung mit Hilfe der Aktivierungseinrichtung wird Energie benötigt, beispielsweise weil hierzu Kontaktelemente bewegt werden müssen. Diese Energie wird erfindungsgemäß der Aktivierungseinrichtung von außen zugeführt oder durch einen Energiespeicher bereitgestellt, der Bestandteil der Schutzeinrichtung oder der Aktivierungseinrichtung ist. Hierbei kann es sich um Energiespeicher jeder möglichen Art handeln, insbesondere um mechanische Energiespeicher. Bei der Zufuhr der zur Aktivierung erforderlichen Energie von außen kommen hierzu geeignete Einrichtung aller Art in Betracht, insbesondere elektromagnetische Wandler wie beispielsweise elektromagnetische Schalter (Relais, etc.), die mit Hilfe von Energie betrieben werden, die von außen zugeführt, also beispielsweise dem Batterieverbund entnommen wird, dessen restliche Zellen regelmäßig funktionstüchtig bleiben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand von Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt
Fig. 1 a einen Schaltplan einer Reihenschaltung von Batteriezellen, die jeweils über eine aktiv ansteuerbare zellseitige Einrichtung zur Herausnahme und zur Überbrückung von elektrisch in Reihe geschalteten Zellen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügen;
Fig. 1 b eine Zusammenschaltung von Batteriezellen mit den Schaltern einer
Schutzeinrichtung, bei der sich sämtliche Schalter in einer Position befinden, die eine Reihenschaltung sämtlicher Batteriezellen bewirkt;
Fig. 1 c eine Zusammenschaltung von Batteriezellen, bei der ein Schalter sich in einer Position befindet, die eine Überbrückung einer Batteriezelle und damit ihre Herausnahme aus dem Batterieverbund bewirkt;
Fig. 2 eine Zusammenschaltung von Batteriezellen mit Schutzeinrichtungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; eine Seitenansicht eines Zellblocks mit Schutzeinrichtungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine vergrößerte Darstellung des oberen Teils des in Figur 3 dargestellten Zellblocks mit einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; die Ansicht einer Zelle mit einer Schutzeinrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; eine Detailansicht einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; eine Explosionsdarstellung der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform; eine Seitenansicht einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im nicht aktivierten Zustand (Normalbetrieb); ein Schnittbild einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; eine Vergrößerung des rechten Teils der in Figur 9a dargestellten Ausführungsform im nicht aktivierten Zustand (Normalbetrieb); die Ansicht eines Zellblocks mit aktivierter Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; eine Seitenansicht einer aktivierten Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 12a ein Schnittbild einer Schutzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Fall einer aktivierten Schutzeinrichtung; und
Fig. 12b eine vergrößerte Darstellung des rechten Teils der in Fig. 12a dargestellten Ausführungsform einer aktivierten Schutzeinrichtung.
Wie in Figur 1a dargestellt, besteht die prinzipielle Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung darin, eine defekte Zelle gezielt aus einer Zusammenschaltung mehrerer Zellen durch Überbrückung herauszunehmen. Hierzu sind Überbrückungen 104, 105, 106 vorgesehen, die im Aktivierungsfall eines der Schalter 101 , 102, 103 eine Elektrode 107 mit der gleichnamigen Elektrode einer benachbarten Zelle verbinden. Im nicht aktivierten Zustand der Schutzeinrichtung ist hingegen die Elektrode 108 mit der zu ihr ungleichnamigen Elektrode der Nachbarzelle verbunden. In ähnlicher Weise zeigen die Figuren 1 b und 1c die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung. Da sich in Figur 1 b sämtliche Schalter S1 b, S2b S5b in einer entsprechenden gleichen Position befinden, liegt in Figur 1 b eine Reihenschaltung der Zellen Z1 b, Z2b, Z5b vor. In Figur 1 c befindet sich der Schalter S2c in der aktivierten Position, wodurch die Zelle Z2c auf der Zusammenschaltung herausgenommen ist.
Wie in Figur 2 dargestellt, erfolgt die Zusammenschaltung von Batteriezellen mit Hilfe von Kontaktelementen. Beispiele für solche Kontaktelemente sind die in Figur 2 dargestellten Stromschienen 205, 209 und 212. Die Elektroden (Abieiter) 203 bzw. 204 sind in geeigneter Weise mit diesen Kontaktelementen verbunden bzw. nicht verbunden. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist vorzugsweise jeweils zwischen den streifenförmigen Polen ("Abieitern") von zwei benachbarten Zellen angeordnet. Die Betätigungsenergie für die Aktivierung der Schutzeinrichtung wird beispielsweise in einer Wellfeder 208 gespeichert, die durch einen in den Fig. 7 und 9 gezeigten Schmelzdraht 71 1 , 81 1 , 91 1 in seiner Ausgangsposition gehalten wird. Bei beginnender Fehlfunktion wird dieser Schmelzdraht durch einen Stromimpuls durchschmolzen und die in den Fig. 2, 7 und 9 gezeigten Wellfeder 208, 708, 908 hebt die bislang elektrische Reihenschaltung zu Nebenzellen vornehmende bewegliche Stromschiene ab und presst diese gegen eine zweite Stromschiene, welche die defekte Zelle elektrisch umgeht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem Energiespeicher ausgestattet, welcher die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie speichert und bei Aktivierung zur Verfügung stellt. Dabei kann es sich um einen mechanischen Energiespeicher oder um andere Energiespeicher, beispielsweise chemische oder elektrische Energiespeicher, handeln. Ein einfach aufgebauter Energiespeicher 208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1008, 1 108, 1208 wird in den Figuren 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 und 12 dargestellt. Eine Wellfeder 208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1008, 1 108, 1208 wird von unten durch ein Lager 210, 310, 910, 1010, 1 1 10 gehalten. Ein Schmelzdraht 71 1 , 81 1 , 91 1 , 1 1 11 hält diese Wellfeder in ihrer Ausgangsposition und Ausgangsform, also im gespannten Zustand. Schmilzt der Draht durch, hebt die Wellfeder das Kontakt- blech 207, 407, 507, 607, 707, 807, 907, 1007, 1207 an und presst es gegen die Stromschiene 1 105, 1205. Der Kontakt zum Kontaktblech 1 106 wird unterbrochen. Somit ist die Überbückung der Zelle erfolgt.
Die Schutzeinrichtung befindet sich vorzugsweise in einem Gehäuse, welches in den Abbildungen nicht dargestellt ist. Dieses Gehäuse ist zur Vermeidung von Korrosion vorzugsweise luftdicht abgeschlossen und bei Bedarf mit einem inerten Schutzgas gefüllt.
Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann vorzugsweise aktiv und individuell für jede Zelle angesteuert werden und so die betreffende geschädigte Zelle einzeln aus dem Stromkreis herausnehmen und überbrücken. Stellt beispielsweise die Batterieelektronik durch die Überwachung der Zellspannung und/oder der Zelltemperatur eine beginnende Fehlfunktion einer Zelle fest, kann präventiv die Einrichtung ausgelöst werden. Die Batterie bleibt mit geringfügig reduzierter Spannungslage weiterhin betriebsfähig. Die erfindungemäßen Lösungen, bei denen die Energie zur Aktivierung nicht aus einem Vorgang entnommen wird, der mit der Fehlfunktion oder mit der Zerstörung der betroffenen, zu überbrückenden Zelle zu tun hat, sondern bei denen die Energie zur Aktivierung von außerhalb der Schutzeinrichtung zugeführt oder einem Energiespeicher entnommen wird, der vorzugsweise Bestandteil der Schutzeinrichtung oder der Aktivierungseinrichtung ist, sind mit dem Vorteil verbunden, dass eine von einer Funktionsstörung betroffene Zelle bereits zu einem frühen Zeitpunkt aus dem Batterieverbund elektrisch herausgenommen werden kann, zu dem die Zerstörung der Zelle noch nicht begonnen hat oder gar so weit fortgeschritten ist, dass dem Zerstörungsprozess die zur Aktivierung der Schutz- einrichtung erforderliche Energie entnommen werden könnte. In vielen Fällen wird hierdurch eine Zerstörung der Zelle vermeidbar sein. Unter günstigen Bedingungen ist es möglich, dass eine überbrückte Zelle sich nach einer gewissen Zeit erholt und erneut in den Batterieverbund aufgenommen werden kann.
Unter der Annahme, dass die Aktivierung der Schutzeinrichtung früh genug erfolgt, kann die zu überbrückende Zelle sogar selbst noch die Energie zur Aktivierung ihrer Schutzeinrichtung liefern. Sie kann also als Energiespeicher der Schutzeinrichtung wirken, bevor sie dem Batterieverbund elektrisch durch Über- brückung entnommen wird.
Je nach der vorliegenden Anwendung ist eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einer Aktivierungseinrichtung ausgestattet, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das innerhalb bzw. außerhalb der Schutzeinrichtung erzeugt wird. Welche dieser beiden Möglichkeiten zu bevorzugen ist, wird in erster Linie von der Art des aktivierenden Ereignisses abhängen. Möglich ist es ist beispielsweise, dass eine Batterieelektronik die Zellenspannung einzelner Zellen überwacht und die Messergebnisse an eine zentrale Steuereinheit außerhalb der Batterie weitergibt, welche dann ihrerseits das Signal zur Aktivierung der Schutzeinrichtung derjenigen Zelle oder Zellen erzeugt und an die betreffende Schutzeinrichtung bzw. Schutzeinrichtungen weiterleitet, die den zu überbrückenden Zellen zugeordnet sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung sieht eine Aktivierungseinrichtung vor, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das von mindestens einem Sensor erzeugt wird, der mindestens eine physikalische Größe misst, die indizierend für den Betriebszustand der Batteriezelle ist, die der Schutzeinrichtung zugeordnet ist. Solche Sensoren können beispielsweise Temperatursensoren sein, die an jeder Zelle angebracht sind und die Temperatur der ihnen zugeordneten Zelle laufend messen. Auch hier sind wieder verschiedene Möglichkeiten gegeben, das Messergebnis aus- zuwerten.
Möglich ist beispielsweise, dass ein Temperatursensor lokal ein Signal zur Aktivierung der Schutzeinrichtung der Zelle erzeugt, deren Temperatur er laufend misst. Möglich ist aber auch, dass eine zentrale Steuereinheit die Mess- ergebnisse dieser und/oder anderer Sensoren, beispielsweise Temperatur- und Spannungssensoren gemeinsam auswertet, um in Abhängigkeit von einer Mehrzahl von Messergebnissen mit Hilfe einer besonderen Entscheidungslogik ein Signal zur Aktivierung der Schutzeinrichtungen einzelner Zellen zu erzeugen, welches dann an die Aktivierungseinrichtungen der Schutzeinrichtungen dieser Zellen weitergeleitet wird und dort zur Aktivierung der betreffenden Schutzeinrichtungen führt.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzeinrichtung vorgesehen, deren Aktivierungseinrichtung bei nachträglichem Wegfall der Voraussetzungen für ihre Aktivierung deaktiviert werden kann, woraufhin diese Schutzeinrichtung die Überbrückung der ihr zugeordneten Zelle rückgängig macht, wodurch diese Zelle wieder in den Batterie- verbund integriert wird. Die Aktivierungseinrichtung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung kann vorzugsweise auch so ausgeführt werden, dass beispielsweise nach einer Abkühlung der betreffenden Zelle diese wieder dem Batterieverband zugeschaltet werden kann. Die hierfür erforderliche Energie kann beispielsweise der nun wieder funktionsfähigen Zelle selbst oder den im Batterieverbund verbliebenen anderen Zellen entnommen werden. Bei dieser Zuschaltung kann vorzugsweise auch der Energiespeicher zur Aktivierung der Schutzeinrichtung wieder geladen werden. Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzeinrichtung vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass sie zwischen den Polanschlüssen benachbarter Zellen angeordnet werden kann. Die Figuren 3, 4, 8, 10 und 1 1 zeigen Darstellungen solcher Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzeinrichtung mit einer Aktivierungseinrichtung vorgesehen, die einen Schmelzdraht umfasst, welcher eine Wellfeder, die als Energiespeicher dient, in einem gespannten Zustand hält und die durch einen Strompuls aktiviert wird, welcher den Schmelzdraht durchschmilzt, woraufhin die Wellfeder sich entspannt und dabei die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie zur Verfügung stellt. Diese mechanische Ausgestaltung des Energiespeichers ist - beispielsweise im Vergleich zu einer externen aktiven Ansteuerung der Aktivierungseinrichtung - besonders robust gegen Störungen und - wegen entfallender Signalleitungen - kostengünstig herzustellen.
Vorteilhaft ist ferner eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem luftdicht abgeschlossenen Gehäuse. Besonders vorteilhaft ist eine erfindungs- gemäße Schutzeinrichtung, deren Gehäuse mit einem inerten Schutzgas befüllt ist. Im Vergleich zu einem mit Umgebungsluft befüllten Gehäuse ist der Korrosionsschutz bei geeigneter Wahl des Schutzgases häufig besser. Fig. 5 zeigt eine Batteriezelle 501 mit einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung. Die Elektroden 503 und 504 sind über geeignete Kontaktbleche 506 und 507 mit Stromschienen 509 verbunden. Eine Wellfeder 508 verändert die Stellung des Kontaktblechs 507 bei Aktivierung der Schutzeinrichtung der Zelle 501 .
Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung mit den Elektroden 603, 604, der Wellfeder 608 und den Kontakt- blechen 606 und 607. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist die Wellfeder 708 auf einem Lager 710 gelagert, welches dafür sorgt, dass bei durchschmelzendem Schmelzdraht 711 die sich entspannende Wellfeder nicht nach unten ausweichen kann, weshalb sie das Kontaktblech 707 der Elektrode 704 bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung nach oben drücken muss.
Wie in Fig. 8 zu sehen ist, kontaktiert das Kontaktblech 707 bzw. 807 vor der Aktivierung mit dem Kontaktblech 806 der benachbarten Zelle 802. Nach der Aktivierung durch das Durchschmelzen des Schmelzdrahtes 811 kontaktiert es mit der Stromschiene 805.
Die seitlichen Schnittdarstellungen der Figuren 9a, 9b bzw. 12a und 12b zeigen dieselbe Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung vor bzw. nach der Aktivierung. Die Figuren 9a bzw. 12a zeigen den Zusammenhang der in den Figuren 9b bzw. 12b dargestellten Ausschnitte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Aktivierungseinrichtung für die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung vorgesehen, in der wenigstens ein Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial die Veränderung der Zusammenschaltung durch eine Änderung der Form dieses Bauelements bewirkt, sobald und/oder solange die Temperatur dieses Bauelements außerhalb eines definierten Temperaturbereichs liegt. Verschiedene Materialien mit Formgedächtnis sind bekannt. Hauptsächlich sind solche Materialien metallische Legierungen, sog. Formgedächtnis-Legierungen oder Kunststoffe mit Formgedächtnis, die auch als Formgedächtnis-Polymere bezeichnet werden. Bei den Formgedächtnis-Legierungen beruht die Form- Wandlung auf einer temperaturabhängigen Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen eines Werkstoffs. Dabei gibt es die als Austerit bezeichnete Hochtemperaturphase und die auch als Martensit bezeichnete Niedertemperaturphase des Formgedächtnismaterials. Beide Phasen können durch eine Temperaturänderung ineinander übergehen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Zweiwege-Effekt. Diese Strukturumwandlung ist zumindest näherungsweise unabhängig von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung. Zur Einleitung der gewünschten Phasenänderung sind die Parameter Temperatur und mechanische Spannung häufig näherungsweise gleichwertig, d.h. die Umwandlung kann nicht nur thermisch sondern häufig auch spannungsinduziert herbeigeführt werden.
Formgedächtnis-Legierungen können recht große Kräfte ohne Material- Ermüdung in bis zu einigen hunderttausend Bewegungszyklen übertragen. Ihr spezifisches Arbeitsvermögen, d.h. das Verhältnis der geleisteten Arbeit zum Werkstoffvolumen, übertrifft das spezifische Arbeitsvermögen vieler anderer sog. Aktor-Werkstoffe bei Weitem. Bei den Anwendungen von Formgedächtnis- Legierungen unterscheidet man häufig den sog. Einweg-(Gedächtnis)-Effekt von dem sog. Zweiweg-(Gedächtnis)-Effekt. Beim Einwegeffekt ist eine einmalige Formänderung beim Aufheizen einer zuvor im martensitischen Zustand pseudo- plastisch verformten Materialprobe zu beobachten. Dieser Einwegeffekt erlaubt nur eine einmalige Formänderung. Das erneute Abkühlen bewirkt keine weitere Formänderung. Für den Einsatz von Formgedächtnis-Legierungen auch für die Aktorik, z. B. als Stellelement, insbesondere im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, ist es jedoch häufig erwünscht, dass das Bauelement wieder in seine martensitische "Kaltform" zurückkehren kann. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Wege, um eine Formrückkehr des Materials zu bewirken:
Der sog. äußere oder extrinsische Zweiweg-Effekt.
Beim äußeren Zweiweg-Effekt geschieht die Formrückkehr beim Abkühlen eines Bauelements durch eine von außen wirkende Kraft, die die Formrückkehr erzwingt. Dies kann z.B. durch eine Feder realisiert werden, die während des Erwärmens des Formgedächtnismaterials gespannt wurde.
Der sog. intrinsische Zweiweg-Effekt
Andere Formgedächtnis-Legierungen vollziehen die Formrückkehr aber auch ohne das Einwirken äußerer Kräfte. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als intrinsischen Zweiweg-Effekt. Solche Formgedächtnis-Legierungen können sich an zwei Formen - jeweils eine bei hoher bzw. bei niedriger Temperatur - gewissermaßen "erinnern". Damit das Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial beim Abkühlen seine definierte Form wieder einnimmt, muss es durch thermomechanische Behandlungszyklen zuvor "trainiert" worden sein. Hierbei wird die Ausbildung von Spannungsfeldern im Material bewirkt, die die Bildung von bestimmten Martensit-Varianten beim Abkühlen fördern. Die trainierte Form für den kalten Zustand stellt also gewissermaßen lediglich eine Vorzugsform des Martensit-Gefüges dar. Die Umwandlung der Form kann beim intrinsischen Zweiweg-Effekt nur statt- finden, wenn keine äußeren Kräfte entgegenwirken. Deshalb ist ein derartiges Bauelement beim Abkühlen dann nicht in der Lage, Arbeit zu verrichten.
Bei Formgedächtnis-Legierungen kann häufig zusätzlich zur gewöhnlichen elastischen Verformung eine durch eine äußere Krafteinwirkung verursachte reversible Formänderung beobachtet werden. Diese "elastische" Verformung kann die Elastizität konventioneller Materialien bis zum Zwanzigfachen über- treffen. Die Ursache dieses Materialverhaltens liegt jedoch nicht in der interatomaren Wechselwirkung sondern in einer Phasenumwandlung innerhalb des Werkstoffs. Hierbei bildet sich unter äußeren Spannungen der sog. kubisch- flächenzentrierte Austerit in den monoklinen Martensit um. Unter mechanischer Entlastung wandelt sich der Martensit wieder in den Austerit um. Da die Anordnung der Atome im Kristallgefüge hierbei nicht verändert wird, jedes Atom also sein Nachbaratom beibehält, spricht man auch von einer diffusionslosen Phasenumwandlung. Diese Materialeigenschaft wird auch als pseudoelastisches Verhalten bezeichnet. Das Material kehrt beim Entlasten durch seine innere Spannung wieder in seine Ursprungsform zurück. Dazu sind keine Temperaturveränderungen erforderlich.
Beispiele für Formgedächtnis-Legierungen sind Legierungen aus Nickel und Titan, aus Kupfer und Zink, aus Kupfer, Zink und Aluminium, aus Kupfer, Aluminium und Nickel, aus Eisen, Nickel und Aluminium.
Neben den metallischen Formgedächtnis-Legierungen bilden die Formgedächtnis-Polymere eine zweite wichtige Gruppe von Formgedächtnismaterialien. Formgedächtnis-Polymere sind Kunststoffe, die einen sog. Form- gedächtniseffekt aufweisen, die sich also an ihre frühere äußere Form trotz einer zwischenzeitlichen starken Umformung anscheinend "erinnern" können. Frühe bekannt gewordene Formgedächtnis-Polymere bestanden aus zwei Komponenten. Die erste war ein elastisches Polymer, eine Art "Federelement", die zweite ein aushärtendes Wachs, dass das "Federelement" in jeder ge- wünschten Form arretieren kann. Erwärmt man das Formgedächtnis-Polymer, so wird das Wachs weich und kann der Kraft des Federelements nicht mehr entgegenwirken. Das Formgedächtnispolymer nimmt seine ursprüngliche Form wieder an. Ebenso wie bei den Formgedächtnis-Legierungen gibt es Formgedächtnis- Polymere, die ihre ursprüngliche Form bei einer Erwärmung wieder einnehmen. Dieses Verhalten wird wie bei den Formgedächtnis-Legierungen als Einweg- Gedächtnis-Effekt bezeichnet.
In neuerer Zeit sind auch Polymere mit einem umkehrbaren Formgedächtnis- effekt bekannt geworden, der nicht thermisch sondern häufig optisch gesteuert wird. Beispiele hierfür sind sog. Buthylacrylate, die an ihren Seitenketten über Zimtsäure-Gruppen unter ultraviolettem Licht einer bestimmten Wellenlänge vernetzen und die Bindung bei Bestrahlung mit einer anderen Wellenlänge wieder lösen. Bestrahlt man ein derartiges Bauelement einseitig, so kommt es über die einseitig einsetzende Vernetzung zu einer Formänderung dieses Materials. Zwischenzeitlich sind auch magnetisch steuerbare Formgedächtnis-Polymere bekannt geworden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht ein elektrisch leitendes Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial als Bestandteil der Aktivierungseinrichtung vor. Elektrisch leitende Formgedächtnismaterialien lassen sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf unterschiedliche Weisen einsetzen. Bei einer ersten Variante wird das elektrisch leitende Bauelement aus dem Formgedächtnismaterial von dem selben Strom durchflössen, der auch die galvanische Zelle belädt oder entlädt, welcher die Schutzeinrichtung zugeordnet ist, die die Aktivierungseinrichtung enthält, welche das elektrisch leitende Bauelement aus dem Formgedächtnismaterial enthält.
Bei passender Wahl der Materialien, insbesondere bei geeigneter Bemessung der Temperaturwerte bei denen das Material jeweils eine von zwei möglichen Formen annimmt, kann auf diese Weise mithilfe des elektrisch leitenden Bauelements aus einem Formgedächtnismaterial erreicht werden, dass bei Überschreiten eines bestimmten Wertes des Stroms, welcher das Bauelement durchfließt, das Bauelement entsprechend erwärmt wird und dass das Bau- element in der Folge den Strom unterbricht. Innerhalb dieser Variante sind wiederum verschiedene Varianten zur Ausführung der vorliegenden Erfindung möglich. Bei einer ersten Variante kann das Formgedächtnismaterial-Bauelement mithilfe einer elastischen Feder wieder in seine Ausgangsform gebracht werden, sobald es nach Abschalten des Stroms wieder erkaltet ist. Bei einer Realisierung mithilfe von Zweiwege-Effekt-Formgedächtnismaterialien ist es aber auch möglich, die Rückbildung der Form ohne eine elastische Feder allein mithilfe des Gedächtniseffekts des Materials zu bewirken.
Unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten ist es dem Fachmann anhand der vorliegenden Beschreibung leicht möglich, Schutzeinrichtungen für galvanische Zellen mithilfe von Bauelementen aus Formgedächtnis-Legierungen oder Formgedächtnis-Polymeren herzustellen, welche bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung zu einer Veränderung der Zusammenschaltung durch eine Überbrückung führen, und welche je nach den Gegebenheiten und Zielsetzungen der betreffenden Anwendung diese Überbrückung nach Wegfall der die Überbrückung erfordernden Umstände, diese Überbrückung auch wieder rückgängig machen, und somit die galvanische Zelle wieder in den Batterieverbund elektrisch integriert. Welche dieser Möglichkeiten jeweils vom Fachmann realisiert werden, hängt von den engeren Umständen der jeweils betrachteten Anwendung ab. Falls die Überbrückung der Verhinderung einer besonders kritischen Situation diente, wird es in vielen Fällen angebracht sein, die Überbrückung auch nach Wegfall der die Überbrückung erfordernden Umstände nicht mehr rückgängig zu machen. Andererseits gibt es Anwendungen, bei denen die Überbrückung durch Umstände ausgelöst wurde, welche ihrer Natur nach dazu geeignet sind, die Überbrückung nach Wegfall dieser Umstände wieder rückgängig zu machen. Ein Beispiel für eine solche Situation mag vorliegen, wenn eine galvanische Zelle durch externe Einflüsse einer zu hohen Temperatur ausgesetzt war und deshalb zeitweilig überbrückt werden musste, ohne dass diese Überbrückung von Dauer sein müsste, etwa weil die Erwärmung der galvanischen Zelle ein Indiz für eine bevorstehende Zerstörung dieser galvanischen Zelle wäre. Eine Aktivierungseinrichtung mit einem elektrisch leitenden Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial, welches von dem Strom durchflössen wird, mit dem die ihr zugeordnete Zelle beladen oder entladen wird, wird daher vor allem in den Fällen eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sein, in denen das Bauelement aus dem Formgedächtnismaterial selbst in die Kontaktierung der galvanischen Zelle einbezogen ist. Ist hingegen eine Konstruktion beabsichtigt, bei der das Bauelement aus dem Formgedächtnismaterial nicht zur Kontaktierung der galvanischen Zelle verwendet wird, dann bietet sich eine andere Ausführungsform der Erfindung an, bei der ein elektrisch isolierendes Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial verwendet wird. In diesen Fällen wird es häufig vorteilhaft sein, wenn das Bauelement aus dem Formgedächtnismaterial durch seine Verformung die Arbeit leistet, die erforderlich ist, um elektrische leitende Kontaktelemente an der galvanischen Zelle oder innerhalb einer Anordnung von galvanischen Zellen so zu verschieben, dass dabei die erfindungsgemäße Veränderung der Zusammenschaltung bewirkt wird, die eine Überbrückung der galvanischen Zelle und somit ihre Herausnahme aus dem Batterieverbund ermöglicht. Bei Verwendung eines elektrisch leitenden Bauelements aus einem Formgedächtnismaterial ist außerdem noch eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung möglich, bei der dieses Bauelement von dem Strom durchflössen wird, der durch ein Signale gesteuert wird, dass innerhalb und außerhalb der Schutzeinrichtung zur Steuerung der Aktivierungseinrichtung erzeugt wird. Solch ein Signal zur Aktivierung kann wiederum von einem Sensor erzeugt werden, der eine physikalische Größe misst, die indizierend für den Betriebszustand einer galvanischen Zelle ist, die der Schutzeinrichtung zugeordnet ist weil deren Aktivierungseinrichtung das Bauelement mit dem Formgedächtnismaterial beinhaltet.
Zur Begrenzung von Einschaltströmen bei der Wiedereingliederung von aus einem Zellverbund herausgenommenen galvanischen Zelle in den Zell- verbund können Heißleiter vorteilhaft zur Begrenzung von Einschaltströmen eingesetzt werden. Ein solcher Heißleiter, der auch als Kontaktelement im Zusammenhang mit erfindungsgemäßen galvanischen Zellen eingesetzt werden kann, ist vor seinem Einschalten vorzugsweise kalt; er leitet somit schlecht und verringert den Einschaltstrom. Nach dem Einschalten erwärmt er sich durch den Stromfluss und verliert seinen hohen Anfangswiderstand. Besonders vorteilhaft können solche Heißleiter eingesetzt werden, wenn sie nach einer kurzen Zeit, beispielsweise nach wenigen Millisekunden, mit Hilfe eines elektromechanischen Schalters (Relais) kurzgeschlossen werden, damit sie sich abkühlen können. Hierdurch wird die Lebensdauer der Heißleiter verlängert und als weiterer Vorteil ergibt sich, da die Heißleiter nach dem Kurzschluss durch das Relais abkühlen können, auch bei kurzen Ausschaltpausen eine sofortige Wiederbereitschaft des Heißleiters. Heißleiter oder sogenannte Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizient („negative temperature coefficient thermistors"), die auch als NTC-Thermistoren bezeichnet werden, sind stromleitende Materialien, die bei hohen Temperaturen Strom besser leiten, als bei tiefen Temperaturen. Mit steigender Temperatur sinkt also ihr elektrischer Widerstand. Deshalb spricht man auch von einem negativen Temperaturkoeffizienten.
Heißleitendes Verhalten zeigen reine Halbleitermaterialien und verschiedene andere Legierungen mit negativen Temperaturkoeffizienten. Bauteile, bei denen speziell das temperaturabhängige Verhalten ausgenützt wird, sind häufig mit Bindemitteln versetzte, gepresste und gesinterte Metalloxide. Der Widerstand solcher Bauelemente lässt sich durch das Mischverhältnis verschiedener Materialien in einem weiten Bereich einstellen.
Heißleiter werden häufig aus einer Mischung halbleitender Metalloxide oder aus sogenannten Verbindungshalbleitern hergestellt. Zu diesen gehören ins- besondere Oxide von Mangan, Nickel, Kobalt, Eisen, Kupfer oder auch Titan.
Ein im Vergleich zu Heißleitern gegenteiliges Verhalten zeigen sog. Kaft- leiter, die auch als PTC-Widerstände oder als PTC-Thermistoren bezeichnet werden. Die Abkürzung PTC steht hier für den positiven Temperaturkoeffizienten dieser Materialien. Es handelt sich um stromleitende Materialien, die bei tiefen Temperaturen den Strom besser leiten können, als bei hohen Temperaturen. Grundsätzlich haben zwar alle Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten. Im Unterschied zu den hier gemeinten Kaltleitern ist der Temperaturkoeffizient gewöhnlicher Metalle im Allgemeinen jedoch im Wesentlichen kleiner und verhält sich weitgehend linear. Solche Kaltleiter können beispielsweise als Kontaktelemente im Zusammenhang mit den hier beschriebenen erfindungsgemäßen galvanischen Zellen dazu verwendet werden, die Temperatur einer galvanischen Zelle zu stabilisieren. Steigt nämlich die Temperatur einer einzelnen galvanischen Zelle an, so lässt sich durch geeignete Anordnung eines solchen Kaltleiters erreichen, dass auch dessen Temperatur ansteigt und sich somit der Widerstand dieses Kaltleiterbauelements erhöht. Da dessen Stromleitfähigkeit bei sich erhöhender Temperatur abnimmt, wird die Strombelastung des entsprechend beschalteten elektrochemischen Energiespeichers, also der galvanischen Zelle, reduziert, was in vielen Fällen dazu führen wird, dass sich diese galvanische Zelle abkühlt. Nach Abkühlung der galvanischen Zelle wird auch ein in ihrer Nähe befindlicher Kaltleiter sich abkühlen, woraufhin sein Leitvermögen wieder zunimmt. In der Folge kann der Strom durch diesen Kaltleiter wieder ansteigen. Kaltleiter können also im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, den Strom in eine galvanische Zelle beim Laden oder aus einer galvanischen Zelle beim Entladen zu begrenzen und somit die Temperatur dieser galvanischen Zelle stabil zu halten. Durch eine geschickte Kombination von Heißleitern, Kaltleitern und Formgedächtnismaterialien lassen sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schutzeinrichtungen realisieren. Bei einer geeigneten konstruktiven Kombination von Heißleiter- oder Kaltleitermaterialien mit Formgedächtnismaterialien kann erreicht werden, dass sich nicht nur das elektrische Leitvermögen eines zur Kontaktierung einer Zelle in einem Zellverbund verwendeten Kontaktelements, also sein elektrischer Widerstand, verändert, sondern es kann zusätzlich erreicht werden, dass bei Erreichen bestimmter Temperaturen oder bei dem Verlassen bestimmter Temperaturbereiche eine Formänderung des entsprechenden Bauelements stattfindet, die zu einer Umschaltung bzw. zu einer Änderung der Zusammenschaltung der galvanischen Zellen führt. Die folgenden Bezugszeichen wurden in den Figuren zur Identifikation der dargestellten Einzelheiten verwendet:
201 , 301 , 801 , 1001 , 1101 , 1201
Galvanische Zelle, Batteriezelle
202, 302, 802, 1002, 1102, 1202
Galvanische Zelle, Batteriezelle
203, 503, 603, 803, 1003, 1103, 1203
Elektrode, Abieiter, Ableiterblech
204, 504, 604, 704, 1104
Elektrode, Abieiter, Ableiterblech 205, 405, 805, 905, 1005, 1205
Stromschiene , Kontaktelement 206, 406, 506, 606, 706, 806, 1106
Kontaktblech einer Elektrode
207, 407, 507, 607, 707, 807, 907, 1007, 1107, 1207 Kontaktblech einer Elektrode
208, 408, 508, 608, 708, 808, 908, 1008, 1108, 1208 Wellfeder
209, 409, 509, 709, 1009
Stromschiene, Kontaktelement
910, 1110, 1210
Lager der Wellfeder
911, 1011, 1111, 1211
Schmelzdraht
212, 1012, 1212
Stromschiene , Kontaktelement
1013
Kontaktblech einer Elektrode 214, 1014
Kontaktblech einer Elektrode
1230
Sollbruchstelle des Schmelzdrahtes 390
in Fig. 4 dargestellter Ausschnitt aus Fig. 3
Die Figuren 2, 3, 4, 8, 10 und 1 1 zeigen Ausführungsbeispiele einer Batterie aus Batteriezellen mit erfindungsgemäßen Schutzeinrichtungen. Eine solche Batterie besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Schutzeinrichtungen, die zwischen benachbarten Zellen der Batterie angeordnet sind. Dabei ist eine Mehrzahl von Kontaktelementen zur Zusammenschaltung einer Reihenschaltung und/oder Parallelschaltungen von Zellen der Batterie vorgesehen. Ein erster Teil dieser Kontaktelemente ist beweglich angeordnet; ein zweiter Teil dieser Kontaktelemente ist unbeweglich angeordnet. Eine Aktivierung einer Schutzeinrichtung einer ersten Zelle bewirkt, dass ein bewegliches erstes Kontaktelement, welches vor der Aktivierung einer elektrischen Reihenschaltung zur einer benachbarten zweiten Zelle dient, bei Aktivierung der Schutzeinrichtung bewegt und gegen ein unbewegliches zweites Kontaktelement gepresst wird, wodurch die erste Zelle überbrückt und somit elektrisch aus der Reihenschaltung herausgenommen wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Schutzeinrichtung für galvanische Zellen (201 , 202, 301 , 302), die über mit Polanschlüssen (203, 204, 503, 504) der Batteriezellen in geeigneter Weise verbundene Kontaktelemente (205, 207, 209, 212, 405, 409, 406, 407, 506, 507, 509, 606, 607, 706, 707, 709, 805, 806, 807, 809) zu einer Batterie zusammengeschaltet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzeinrichtung über eine Aktivierungseinrichtung (708, 710, 711) zur Aktivierung der Schutzeinrichtung verfügt, und
bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung diese Schutzeinrichtung eine ihr zugeordnete Zelle durch eine Veränderung der Zusammenschaltung überbrückt und so aus dem Batterieverbund elektrisch herausnimmt.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 , mit einem Energiespeicher, welcher die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie speichert und bei einer Aktivierung der Schutzeinrichtung zur Verfügung stellt.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, mit einem mechanischen Energiespeicher (708, 808, 908, 1008, 1108, 1208).
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einzelnen Zellen einer Batterie zugeordnet werden kann.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Aktivierungseinrichtung, die durch ein Signal, das außerhalb der Schutzeinrichtung erzeugt wird, und/oder ein Signal, das innerhalb der Schutzeinrichtung erzeugt wird, aktiviert werden kann. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Aktivierungseinrichtung, die durch ein Signal aktiviert werden kann, das von mindestens einem Sensor erzeugt wird, der mindestens eine physikalische Größe misst, die indizierend für den Betriebszustand einer galvanischen Zelle ist, die der Schutzeinrichtung zugeordnet ist.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Aktivierungseinrichtung bei nachträglichem Wegfall der Voraussetzungen für ihre Aktivierung deaktiviert werden kann, woraufhin diese Schutzeinrichtung die Überbrückung der ihr zugeordneten Zelle rückgängig macht, wodurch diese Zelle wieder in den Batterieverbund integriert wird.
Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die so ausgestaltet ist, dass sie zwischen den Polanschlüssen benachbarter Zellen angeordnet werden kann.
9. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Aktivierungseinrichtung, die einen Schmelzdraht (911 , 121 1 ) aufweist, der eine Wellfeder (908, 1208), die als Energiespeicher dient, in einem gespannten Zustand hält, und die durch einen Strompuls aktivierbar ist, welcher den Schmelzdraht durchschmilzt (1230), woraufhin die Wellfeder sich entspannt und dabei die zur Veränderung der Zusammenschaltung erforderliche Energie zur Verfügung stellt. 10. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Aktivierungseinrichtung, in der ein Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial die Veränderung der Zusammenschaltung durch eine Änderung der Form dieses Bauelements bewirkt, sobald und/oder solange die Temperatur dieses Bauelements außerhalb eines definierten
Temperaturbereichs liegt.
1 1 . Schutzeinrichtung nach Anspruch 10, bei welcher das Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial ein elektrisch leitendes Bauelement oder ein elektrisch isolierendes Bauelement ist. 12. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 1 , bei welcher das elektrisch leitende Bauelement aus einem Formgedächtnismaterial von dem Strom durchflössen wird, mit dem die ihr zugeordnete Zelle geladen oder entladen wird, oder von dem Strom durchflössen wird, der durch ein Signal gesteuert wird, das innerhalb oder außerhalb der Schutzeinrichtung zur Steuerung der Aktivierungseinrichtung erzeugt wird.
13. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem luftdicht abgeschlossenen Gehäuse. 14. Schutzeinrichtung nach Anspruch 13, bei welcher das Gehäuse mit einem Schutzgas befüllt ist.
15. Galvanische Zelle mit einer Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. Batterie mit wenigstens einer galvanischen Zelle nach Anspruch 15.
17. Batterie mit mehreren galvanischen Zellen nach Anspruch 15, bei welcher eine Mehrzahl von Schutzeinrichtungen zwischen benachbarten Zellen der Batterie angeordnet ist,
eine Mehrzahl von Kontaktelementen zur Zusammenschaltung einer Reihenschaltung von Zellen der Batterie vorgesehen ist,
ein erster Teil dieser Kontaktelemente beweglich angeordnet ist, ein zweiter Teil dieser Kontaktelemente unbeweglich angeordnet ist, und
eine Aktivierung einer Schutzeinrichtung einer ersten Zelle bewirkt, dass ein bewegliches erstes Kontaktelement, welches vor der Aktivierung einer elektrische Reihenschaltung zur einer benachbarten zweiten Zelle dient, bei Aktivierung der Schutzeinrichtung bewegt und gegen ein unbewegliches zweites Kontaktelement gepresst wird, wodurch die erste Zelle überbrückt und somit elektrisch aus der Reihenschaltung herausgenommen wird.
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