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Title:
DEVICE AND METHOD FOR DECOUPLING AND/OR BRIDGING TERMINALS FOR A BATTERY CELL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/174590
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (100) for decoupling and/or bridging terminals (110, 120, 250) for a battery cell (300), wherein the device (100) has a first electrode terminal (110), wherein the first electrode terminal (110) can be connected to a first terminal (120) via the device (100). The device (100) comprises a switching element (130), wherein the switching element (130) is configured to form an electrical connection between the first electrode terminal (110) and the first terminal (120) when in a primary switching state and to interrupt the electrical connection between the first electrode terminal (110) and the first terminal (120) when in another switching state. The device (100) further comprises a destructible body (140), wherein the destructible body (140) has a non-linear characteristic curve, wherein the characteristic curve represents a correlation between a physical size and the strength of the destructible body (140), wherein the destructible body (140) is configured to keep the switching element (130) in the primary switching state when in an intact state and to effect switching of the switching element (130) to the other switching state when in a destroyed state.

Inventors:
HENRICI, Fabian (Leharstr. 2, Stuttgart, 70195, DE)
SCHNEIDER, Jens (Markgroeninger Weg 15, Leonberg, 71229, DE)
Application Number:
EP2013/058356
Publication Date:
November 28, 2013
Filing Date:
April 23, 2013
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
H01M2/34; H01H35/14
Domestic Patent References:
WO2009061075A12009-05-14
Foreign References:
EP0926796A21999-06-30
EP1107344A12001-06-13
EP2228849A12010-09-15
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Claims:
Ansprüche

1 . Vorrichtung (100) zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen (1 10, 120, 250) für eine Batteriezelle (300), wobei die Vorrichtung (100) einen ersten Elektrodenanschluss (1 10) aufweist, wobei der erste

Elektrodenanschluss (1 10) über die Vorrichtung (100) mit einem ersten Anschluss (120) verbindbar ist, wobei die Vorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: ein Schaltelement (130), wobei das Schaltelement (130) ausgebildet ist, in einem primären Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss (1 10) und dem ersten Anschluss (120) herzustellen und in einem anderen Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss (1 10) und dem ersten Anschluss (120) zu unterbrechen; und einen zerstörbaren Körper (140), wobei der zerstörbare Körper (140) eine nicht-lineare Kennlinie aufweist, wobei die Kennlinie einen Zusammenhang zwischen einer physikalischen Größe und der Festigkeit des zerstörbaren Körpers (140) repräsentiert, wobei der zerstörbare Körper (140) ausgebildet ist, in einem intakten Zustand das Schaltelement (130) im primären

Schaltzustand zu halten und in einem zerstörten Zustand ein Umschalten des Schaltelements (130) in den anderen Schaltzustand zu bewirken.

2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 , bei der das Schaltelement (130) im anderen Schaltzustand den ersten Anschluss (120) und einen zweiten Anschluss (250) kurzschließt, wobei der zweite Anschluss (250) mit einem zweiten Elektrodenanschluss (320) verbunden ist.

3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Schaltelement (130) ausgebildet ist, einen sekundären Schaltzustand und/oder einen tertiären Schaltzustand als den anderen Schaltzustand einzunehmen, wobei das Schaltelement (130) ausgebildet ist, in dem sekundären Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss (1 10) und dem ersten Anschluss (120) zu unterbrechen und in dem tertiären Schaltzustand den ersten Anschluss (120) tmä-mit einem zweiten Anschluss (250) kurzzuschließen und die elektrische Verbindung zwischen dem ersten

Elektrodenanschluss (1 10) und dem ersten Anschluss (120) zu

unterbrechen, wobei der zweite Anschluss (250) mit einem zweiten

Elektrodenanschluss (320) verbunden ist.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der zerstörbare Körper (140) ausgebildet ist, durch ein Überschreiten einer Schwelle eines Drucks auf den Körper (140) von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu wechseln.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der zerstörbare Körper (140) ausgebildet ist, durch einen Temperaturanstieg von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu wechseln.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Heizwendel (260) und einem Anschluss (265) für die Heizwendel (260), wobei die Heizwendel (260) neben dem zerstörbaren Körper (140) angeordnet ist, wobei die Heizwendel (260) ausgebildet ist, durch Erhitzen des zerstörbaren Körpers (140) diesen von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem piezoelektrischen Auslöser, wobei der piezoelektrische Auslöser neben dem zerstörbaren Körper (140) angeordnet ist, wobei der

piezoelektrische Auslöser ausgebildet ist, den zerstörbaren Körper (140) von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der zerstörbare Körper (140) ausgebildet ist, mittels Schlag und/oder Erschütterung und/oder Verformung von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand gebracht zu werden.

9. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der ein Widerstand (270) zu dem Schaltelement (130) parallel geschaltet ist, wobei der Widerstand (270) ausgebildet ist, bei zerstörtem Zustand des zerstörbaren Körpers (140) die Batteriezelle (300) zu entladen.

10. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der eine Anschlussleitung des ersten Anschlusses (120) in einem benachbart zu dem zerstörbaren Körper (140) angeordneten Bereich als ein gegenüber einem weiteren Bereich der Anschlussleitung verdünnter Anschlussbereich (280) ausgebildet ist, wobei der verdünnte Anschlussbereich (280) ausgebildet ist, bei einem Anstieg eines Stroms eine Erwärmung des zerstörbaren Körpers (140) zu bewirken und den zerstörbaren Körper (140) hierdurch von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der zerstörbare Körper (140) als eine Glasampulle ausgebildet ist.

Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der zerstörbare Körper (140) in einem Zellinneren einer Batteriezelle (300) angeordnet ist und das Schaltelement (130) hermetisch abgeschlossen gegenüber dem Zellinneren angeordnet ist.

13. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der zerstörbare Körper (140) mit einem Fluid gefüllt ist.

14. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 13, bei der das Fluid ausgebildet ist, im zerstörten Zustand des zerstörbaren Körpers (140) eine chemische Reaktion zu bewirken.

15. Verfahren (400) zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen für eine Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (400) den folgenden Schritt aufweist:

Auslösen (410) des zerstörbaren Körpers (140) ansprechend auf eine physikalische Größe, wobei der zerstörbare Körper (140) von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand gebracht wird.

Description:
Beschreibung

Titel

Vorrichtung und Verfahren zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von

Anschlüssen für eine Batteriezelle

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle.

Eine Batteriezelle wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie sollte nicht über das erlaubte Maximum hinaus weiter geladen werden. Um dies zu verhindern, werden die Anschlüsse der Zelle entweder abgetrennt (Schütz) oder überbrückt. Ebenso kann die Überbrückung einer geschädigten bzw. sensorisch messbar leistungsschwachen Zelle sinnvoll sein, um die Gesamtleistung der Batterie zu steigern. Stand der Technik sind passive mechanische Bauelemente, welche z. B. durch einen Überdruck in der Zelle (irreversibel) verformt und dadurch ausgelöst werden. Übliche Bezeichnungen sind z. B. englischsprachige Begriffe wie„overcharge protection circuit",„overcharge safety device" (OSD) oder „current Interrupt device" (CID). Im Folgenden wird der Begriff OSD

stellvertretend für alle Ausführungsformen dieser Schutzeinrichtungen nach dem Stand der Technik verwendet.

Stand der Technik sind ebenfalls Glasampullen, welche bei

Brandschutzsprinkleranlagen bei einer vorbestimmten Temperatur zerplatzen und die Sprinkler aktivieren. Laut APIS-Vorschlag ist auch die Verwendung als thermische Sicherung in der Elektrotechnik Stand der Technik.

Die EP 2 228 849 A1 offenbart eine wiederaufladbare Batterie mit einer

Elektroden-Einheit und einem Gehäuse zur Montage der Elektroden-Einheit darin, wobei das Gehäuse sich je nach Innendruck verändert. Die Elektroden- Einheit umfasst einen Separator und eine erste und eine zweite Elektrode angeordnet auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Separators.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Abkopplung und/oder Überbrückung von Anschlüssen einer Vorrichtung für eine Batteriezelle gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung betrifft gemäß einer Ausführungsform eine Vorrichtung, welche in eine Batteriezelle (z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges) eingebaut werden kann und dazu dient, die Anschlüsse intern abzutrennen, beziehungsweise zu überbrücken. In der Vorrichtung ist ein mechanisches Sicherheitselement bestehend aus einem zerstörbaren Körper und einem Schaltelement integriert, welches durch Änderung einer physikalischen Größe wie beispielsweise Temperatur oder Druck ausgelöst werden kann.

Vorteilhafterweise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf verschiedene physikalische Größen reagieren.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle, wobei die Vorrichtung einen ersten Elektrodenanschluss aufweist, wobei der erste Elektrodenanschluss über die Vorrichtung mit einem ersten Anschluss verbindbar ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: ein Schaltelement, wobei das Schaltelement ausgebildet ist, in einem primären Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten

Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss herzustellen und in einem anderen Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen dem ersten

Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss zu unterbrechen, einen zerstörbaren Körper, wobei der zerstörbare Körper eine nicht-lineare Kennlinie aufweist, wobei die Kennlinie einen Zusammenhang zwischen einer physikalischen Größe und der Festigkeit des zerstörbaren Körpers repräsentiert, wobei der zerstörbare Körper ausgebildet ist, in einem intakten Zustand das Schaltelement in dem primären Schaltzustand zu halten und in einem zerstörten Zustand ein Umschalten des Schaltelementes in den anderen Schaltzustand zu bewirken.

Unter einer Batteriezelle kann ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie wie beispielsweise ein Akkumulator verstanden werden. Unter einer Batteriezelle kann eine wiederaufladbare Sekundärzelle, Sekundärelement beziehungsweise ein Akkumulator verstanden werden. Batteriezellen können in einer Reihenschaltung und/oder einer Parallelschaltung in einer Batterie verbunden sein. Eine aus Batteriezellen aufgebaute Batterie kann in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein

Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen ein sonstiges Nutzfahrzeug, ein Förderzeug oder ein Wasserfahrzeug wie ein

Boot handeln. Das Fahrzeug kann mit einem Hybrid-Antrieb ausgestattet sein öder es kann sich um ein Elektrofahrzeug handeln. Das Fahrzeug kann zumindest eine Batterie als Starterbatterie und/oder Traktionsbatterie aufweisen. Eine Vorrichtung kann aus einem Schaltelement und einem zerstörbaren Körper bestehen oder zumindest diese beiden Elemente umfassen. Die Vorrichtung kann als eine elektromechanische Einheit und/oder mechanisches

Sicherheitselement und/oder elektro-mechanisches Sicherheitselement bezeichnet werden. Die Vorrichtung kann als eine separate Einheit existieren oder alternativ fester Bestandteil einer Batteriezelle sein. Der

Elektrodenanschluss der Vorrichtung kann ausgebildet sein, mit einem

Elektrodenanschluss eines galvanischen Elements einer Batteriezelle verbunden zu werden. Der erste Anschluss der Vorrichtung kann ausgebildet sein, mit einem externen Anschluss einer Batteriezelle verbunden zu werden. Das Schaltelement der Vorrichtung kann zumindest zwei Schaltzustände aufweisen. Das Schaltelement kann von einem intakten zerstörbaren Körper in einem primären Schaltzustand gehalten werden. In dem primären Schaltzustand kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss der Vorrichtung hergestellt sein. Das Schaltelement kann einen anderen Schaltzustand aufweisen. In dem anderen Schaltzustand kann die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss und dem ersten Anschluss unterbrochen sein. Das Schaltelement kann von dem primären Schaltzustand in den anderen Schaltzustand wechseln, wenn der zerstörbare Körper nicht intakt, d. h. zerstört ist. Bei dem zerstörbaren Körper kann es sich um einen Hohlkörper und/oder um eine Ampulle handeln, die eine Schale aufweist, die eine höhere Festigkeit als ein Inneres des Körpers aufweist. Der zerstörbare Körper kann in seinem Inneren zumindest ein Fluid aufweisen. Der zerstörbare Körper kann in seinem Inneren auch zumindest zwei Fluide mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Weist der Körper zumindest zwei Fluide in seinem Inneren auf, so kann ein Fluid eine Flüssigkeit und ein zumindest zweites Fluid ein gasförmiges Fluid wie beispielsweise Luft sein. Der zerstörbare Körper kann aus einem Material bestehen, welches eine nicht-lineare Kennlinie aufweist. Die nicht-lineare Kennlinie kann die

Abhängigkeit der Festigkeit in Bezug auf eine physikalische Größe darstellen. Unter einer Festigkeit kann dabei eine Eigenschaft des Körpers verstanden werden, die eine Veränderung der ursprünglichen Form des Körpers ohne Einwirkung der physikalischen Größe repräsentiert; der Köper sich also bei

Einwirkung unterschiedlich starker Ausprägungen der physikalischen Größe unterschiedlich stark (d. h. nicht-linear) verformt. Unter einer physikalischen Größe kann beispielsweise eine Temperatur, ein Druck, eine Vibration, ein Schlag und/oder eine Beschleunigung verstanden werden. Unter dem intakten Zustand des zerstörbaren Körpers kann seine Grundform und oder eine nicht zerstörte Form des zerstörbaren Körpers verstanden werden. Der zerstörbare Körper kann irreversibel verformt werden und/oder zerstört werden. Das

Auslösen des zerstörbaren Körpers als mechanisches Sicherheitselement kann dabei die Anschlüsse, beispielsweise einer Batteriezelle, abkoppeln. Von Vorteil ist, dass durch den hier vorgestellten Ansatz ein gefährlicher Zustand, beispielsweise bei Einsatz in einer Batteriezelle ein gefährlicher Zustand der Batteriezelle, wie starker Druckanstieg, drohender thermischer Ausreißer, oder „thermal runaway", verhindert werden kann, in dem die Vorrichtung als passiver Schutzmechanismus eine Überbrückung herbeiführen kann. Die Vorrichtung kann gleichzeitig oder alternativ auf unterschiedliche gefährliche Zustände wie beispielsweise Temperaturanstieg und/oder Druckanstieg reagieren.

Günstig ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schaltelement im anderen Schaltzustand den ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss kurzschließt, wobei der zweite Anschluss mit einem zweiten Elektrodenanschluss verbunden ist. Durch das Kurzschließen der Anschlüsse kann beispielsweise bei Einsatz der Vorrichtung in einer Batteriezelle die Batteriezelle überbrückt werden.

Günstig ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schaltelement ausgebildet ist, einen sekundären Schaltzustand und/oder einen tertiären Schaltzustand als den anderen Schaltzustand einzunehmen, wobei das

Schaltelement ausgebildet ist, in dem sekundären Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Anschluss zu unterbrechen und in dem tertiären Schaltzustand den ersten Anschluss und mit einem zweiten Anschluss kurzzuschließen und die elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und dem ersten Anschluss zu unterbrechen, wobei der zweite Anschluss mit einem zweiten Elektrodenanschluss verbunden ist. Bei unterschiedlichen Ereignissen können unterschiedliche Reaktionen erfolgen. Dabei kann der zerstörbare Körper beispielsweise auf Druck und/oder Temperatur anders reagieren als auf einen Schlag und/oder eine

Beschleunigung. Dies kann durch eine geeignete nicht-lineare Kennlinie erreicht werden. Auch kann die Beschaffenheit des zerstörbaren Körpers in Bezug auf unterschiedliche physikalische Größen unterschiedliche nicht-lineare Kennlinien aufweisen. Der zerstörbare Körper kann aus zwei Teilkörpern bestehen, wobei der zerstörbare Körper ausgebildet sein kann, dass bei einem Ereignis nur einer der zwei Teilkörper zerstört wird und bei einem anderen Ereignis beide Teilkörper zerstört werden.

Ferner kann auch der zerstörbare Körper ausgebildet sein, durch ein

Überschreiten einer Schwelle eines Drucks auf den Körper von dem intakten

Zustand in den zerstörten Zustand (auch als nicht-intakter Zustand bezeichnet) zu wechseln. Der Druckanstieg oder das Überschreiten einer Schwelle des Drucks kann als eine physikalische Größe verstanden werden. Unter einem Druckanstieg kann ein Druckanstieg der Umgebung der Vorrichtung verstanden werden. Bei einem Einsatz der Vorrichtung innerhalb einer Batteriezelle kann beispielsweise durch eine Erhitzung im Inneren der Batteriezelle ein

Druckanstieg beobachtet werden, beispielsweise aufgrund eines Ladevorgangs über das erlaubte Maximum hinaus. Somit kann durch eine Reaktion auf den Druckanstieg eine Explosion der Batteriezelle verhindert werden. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der zerstörbare Körper ausgebildet sein, durch einen Temperaturanstieg von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu wechseln. Der zerstörbare Körper kann bei Überschreiten einer vorabdefinierten Temperaturschwelle zerstört werden. Ein Fluid im Inneren des zerstörbaren Körpers kann sich durch einen Temperaturanstieg ausdehnen und den zerstörbaren Körper in einen nicht intakten Zustand überführen.

In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Heizwendel und einem Anschluss für die Heizwendel auf, wobei der

Heizwendel neben dem zerstörbaren Körper angeordnet ist, wobei die

Heizwendel ausgebildet ist, durch Erhitzen des zerstörbaren Körpers diesen von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen. Unter einer Heizwendel kann ein Heizwiderstand verstanden werden. Unter einer

Heizwendel kann ein elektrisches Bauelement, das elektrische Energie in thermische Energie, beziehungsweise Wärme, umwandelt, verstanden werden. An dem Anschluss für die Heizwendel kann ein elektrischer Auslöser für die Heizwendel angeordnet sein.

Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Vorrichtung einen piezoelektrischen Auslöser aufweisen, wobei der piezoelektrische Auslöser neben dem zerstörbaren Körper angeordnet ist, wobei der piezoelektrische Auslöser ausgebildet ist, den zerstörbaren Körper von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen. Unter einem piezoelektrischen Auslöser kann ein Piezoaktor verstanden werden, wobei der Piezoaktor ausgebildet ist, bei Anliegen einer entsprechenden Spannung den zerstörbaren Körper auszulösen, beziehungsweise zu zerstören.

Ferner kann der zerstörbare Körper ausgebildet sein, mittels Schlag und/oder Erschütterung und/oder Verformung von dem intakten Zustand in den zerstörten

Zustand zu bringen. Unter einem zerstörbaren Körper, der mittels Schlag und/oder Erschütterung und/oder Verformung in den nicht intakten Zustand wechselt, kann ein passiver Crashsensor verstanden werden. Der zerstörbare Körper kann bei Auftreten von einer Beschleunigung oberhalb einer

vordefinierten Schwelle zerstört werden. Eine solche Beschleunigung kann bei einem Unfall auftreten. Eine Verformung des Gehäuses, in dem die Vorrichtung angeordnet ist, kann zum Zerstören des zerstörbaren Körpers führen und somit die Vorrichtung auslösen. Eine Halterung des zerstörbaren Körpers kann ausgebildet sein, einen Schlag und/oder eine Verformung und/oder eine

Erschütterung an den zerstörbaren Körper zu übertragen. Die beschriebene Übertragung kann mittels einer scharfen Kante und/oder eines weiteren beweglich angeordneten Bauteils erfolgen.

Auch ist es günstig, wenn ein Widerstand zu dem Schaltelement parallel geschaltet ist, wobei der Widerstand ausgebildet ist, bei zerstörtem Zustand des zerstörbaren Körpers die Batteriezelle zu entladen. Unter einem Widerstand kann ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement zur Realisierung eines ohmschen Widerstandes verstanden werden. Ein Widerstand kann einen elektrischen Widerstand oberhalb einer vorabdefinierten Schwelle aufweisen. Um eine möglichst schnelle Entladung (und damit Herbeiführung des sicheren Zustandes) herbeizuführen, kann der Widerstand beispielsweise im Bereich weniger MilliOhm liegen, im Extremfall kann er sogar einen Quasikurzschluss darstellen (Sub-MilliOhm). Falls eine langsamere Entladung gewünscht wird (auch um die thermische Belastung gering zu halten, können Widerstandswerte im Bereich 10m-1 Ohm gewählt werden. Mit diesen Werten ist eine typische Lithium-Ionen Batteriezelle für Elektrofahrzeuge in ca. 1 h entladen.

In einer zusätzlichen Ausführungsform kann eine Anschlussleitung des ersten Anschlusses in einem benachbart zu dem zerstörbaren Körper angeordneten Bereich als ein gegenüber einem weiteren Bereich der Anschlussleitung verdünnter Anschlussbereich ausgebildet sein, wobei der verdünnte

Anschlussbereich ausgebildet ist, bei einem Anstieg eines Stroms eine

Erwärmung des zerstörbaren Körpers zu bewirken und den zerstörbaren Körper von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand zu bringen. Günstig ist es auch, wenn in einer Ausführungsform der zerstörbare Körper als eine Glasampulle ausgebildet ist. Eine Ausführungsform des zerstörbaren Körpers als Glasampulle kann vorteilhaft sein, da das Material sowohl kostengünstig als auch auf eine thermische Veränderung, auf Erschütterung und/oder Schlag und/oder Stoß als auch auf Druck mit einer nicht-linearen Festigkeitskennlinie reagiert. Ferner kann in einer besonderen Ausführungsform der zerstörbare Körper in einem Zellinneren einer Batteriezelle angeordnet sein und das Schaltelement hermetisch abgeschlossen gegenüber dem Zellinneren angeordnet sein. Unter dem Zellinneren kann der Innenraum einer Vorrichtung beziehungsweise eines Körpers verstanden werden, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung zum

Einsatz kommt, wie beispielsweise eine Batteriezelle und/oder eine

Brennstoffzelle. Durch das Abtrennen des Schaltelements hermetisch von dem Zellinneren kann eine Korrosion von Kontakten des Schaltelements verhindert werden. Durch das Abtrennen des Schaltelements von dem Zellinneren kann die elektrische Leitfähigkeit des Schaltelements besser und länger aufrechterhalten werden.

In einer zusätzlichen Ausführungsform kann der zerstörbare Körper mit einem Fluid gefüllt sein. Ein Fluid im Zellinneren kann einen zur Umgebung und zum Material des zerstörbaren Körpers unterschiedlichen

Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das Fluid kann derart ausgebildet sein, dass es sich bei Wärmezufuhr bei einem vordefinierten

Temperaturschwellwert soweit ausdehnt, dass der zerstörbare Körper nicht zerstört ist und eine Form des Körpers gegenüber seiner Grundform verändert wird.

Ferner kann das Fluid ausgebildet sein, im zerstörten Zustand des zerstörbaren Körpers eine chemische Reaktion zu bewirken. Das Fluid kann ausgebildet sein, mit einem anderen Fluid und/oder Material chemisch zu reagieren.

Beispielsweise kann das Fluid ausgebildet sein, Substanzen aus einem

Elektrolyt, beispielsweise in einer Batteriezelle, zu binden und somit einen kritischen Zustand der Batteriezelle weiter eindämmen und/oder verhindern.

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Abkopplung und gleichzeitig oder alternativ Überbrückung von Anschlüssen für eine Vorrichtung zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:

Auslösen des zerstörbaren Körpers ansprechend auf eine physikalische Größe, wobei der zerstörbare Körper von dem intakten Zustand in den zerstörten Zustand gebracht wird.

Ein Aspekt des hier vorgestellten Verfahrens ist es, am Beispiel einer

Batteriezelle die Sicherheit und Leistung einer Batterie durch aktives

Herausnehmen von kritischen und/oder gealterten Batteriezellen zu steigern. Für die Batteriesicherheit hat dabei eine aktiv ausgelöste Überbrückung von

Batteriezellen mit kritischer Temperatur, kritischem Druck und/oder kritischen Spannungsverläufen große Bedeutung; für die Batterieleistung (Performance) hat dabei eine aktiv ausgelöste Überbrückung von stark gealterten oder aus sonstigen Gründen leistungsschwachen Zellen mit schlechtem State-of-Health große Bedeutung.

Das hier vorgestellte Verfahren, beziehungsweise eine Vorrichtung, die

Einrichtungen aufweist, welche dieses Verfahren umsetzen, verwendet zur Verknüpfung von Sensorik (Messwerten, Überschreitung von Grenzwerten) und Aktorik (mechanischen und optional elektrischen Komponenten welche in eine Batteriezelle, z. B. Lithium-Ionen Batterie eines Elektrofahrzeuges, eingebaut werden und dazu dienen die Anschlüsse der Zelle intern abzutrennen, bzw. zu überbrücken), um eine optimale Leistung und Sicherheit einer Batterie

sicherzustellen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der

vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der

vorliegenden Erfindung am Beispiel einer Batteriezelle; und

Fig. 4 Blockschaltbild eines Verfahrens eines Ausführungsbeispiels der

vorliegenden Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren

dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche

Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser

Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen 1 10, 120 für eine Batteriezelle. Die

Vorrichtung 100 weist einen ersten Elektrodenanschluss 1 10, einen ersten Anschluss 120, ein Schaltelement 130 sowie einen zerstörbaren Körper 140 auf. Das Schaltelement besteht aus einem feststehenden Teil 132 des

Schaltelements 130 und einer vorgespannten Kontaktzunge 135. Die

vorgespannte Kontaktzunge kann auch als eine bewegliche Kontaktfeder 135 bezeichnet werden.

Der erste Elektrodenanschluss 1 10 ist mit dem Schaltelement 130 über eine Leitung verbunden. Der erste Anschluss 120 ist mit dem Schaltelement 130 über eine weitere Leitung verbunden. Das Schaltelement 130 ist in Fig. 1 in seinem primären Schaltzustand dargestellt. Über das Schaltelement 130 ist eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Elektrodenanschluss 1 10 und dem ersten Anschluss 120 hergestellt. Das Schaltelement 130 weist eine

vorgespannte Kontaktzunge 135 auf. Die vorgespannte Kontaktzunge 135 wird von dem zerstörbaren Körper 140 an den feststehenden Teil 132 des

Schaltelements 130, welcher mit dem ersten Elektrodenanschluss 1 10 verbunden ist, gedrückt und in Position gehalten.

Fig. 1 zeigt den zerstörbaren Körper im intakten Zustand. In dem nicht gezeigten nicht intakten (d. h. zerstörten) Zustand des zerstörbaren Körpers löst sich die bewegliche Kontaktfeder 135 von dem feststehenden Teil 132 des

Schaltelements 130 und der elektrische Kontakt zwischen dem ersten

Elektrodenanschluss 1 10 und dem ersten Anschluss 120 ist geöffnet

beziehungsweise unterbrochen. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 zeigt im Vergleich zu Fig. 1 erweiterte Vorrichtung 100 zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen 1 10, 120 für eine Batteriezelle. Die Vorrichtung 100 weist neben dem bereits in Fig. 1 gezeigten ersten Elektrodenanschluss 1 10, dem ersten Anschluss 120, dem

Schaltelement 130 mit dem feststehenden Teil 132 und der vorgespannten Kontaktzunge 135 und dem zerstörbaren Körper 140 einen zweiten Anschluss 250, eine Heizwendel 260, einen elektrischen Auslöser 265 für die Heizwendel 260, einen hochohmigen Widerstand 270 und einen verdünnten

Anschlussbereich 280 auf.

Der zweite Anschluss 250 ist derart im Bereich des Schaltelements 130 angeordnet, dass mittels der vorgespannten Kontaktzunge 135 eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 120 und dem zweiten Anschluss 250 herstellbar ist. In dem in Fig. 2 gezeigten primären Schaltzustand des

Schaltelements 130 ist keine elektrische Verbindung zu dem zweiten Anschluss 250 hergestellt. Die Heizwendel 260 ist parallel zu dem zerstörbaren Körper 140 angeordnet. Die Heizwendel 260 ist verbunden mit dem elektrischen Auslöser 265 für die Heizwendel 260. Weiterhin ist zwischen dem ersten

Elektrodenanschluss 1 10 und dem ersten Anschluss 120 ein hochohmiger

Widerstand 270 angeordnet. Die Leitung zwischen der vorgespannten

Kontaktzunge 135 und dem ersten Anschluss 120 weist im Bereich parallel zum zerstörbaren Körper 140 einen verdünnten Anschlussbereich 280 auf.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung am Beispiel einer Batteriezelle. Das bereits in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 zum Abkoppeln und/oder Überbrücken von Anschlüssen 1 10, 120 für eine Batteriezelle 300. Die

Vorrichtung 100 ist innerhalb einer Batteriezelle 300 angeordnet. Die

Batteriezelle weist ein galvanisches Element 310 auf. Das galvanische Element 310 kann auch als Zellwickel 310 bezeichnet werden. Das galvanische Element 310 weist zwei Elektroden auf, wovon eine Elektrode mit dem ersten

Elektrodenanschluss 1 10 und die andere Elektrode 320 mit dem zweiten Anschluss 250 verbunden ist. Aus der Batteriezelle 300 sind der erste Anschluss 120 und der zweite Anschluss 250 herausgeführt und von außerhalb der Batteriezelle kontaktierbar. Die Elektrode 320 des galvanischen Elements 310 ist dauerhaft mit Anschluss 250 der Zelle 300 verbunden. Elektrode 1 10 des Elements 310 ist über eine bewegliche Kontaktzunge 135 mit Anschluss 120 verbunden. Bei Überschreiten eines Limits (Temperatur, Strom, Druck) zerplatzt die Glasampulle 140 und die vorgespannte Kontaktfeder 135 löst sich vom Anschluss 132 an Elektrode 1 10 und stellt optional im weiteren einen Kurzschluss zu Anschluss 250 her. Damit ist das galvanische Element 310 abgekoppelt und optional die Zelle 300 überbrückt. Die Vorrichtung 100 kann an oder in eine Batteriezelle 300 integriert werden.

In einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 100 eine Glasampulle 140 verwenden, um eine Batteriezelle 300 abzukoppeln und/oder abzutrennen. Die Glasampulle ist dem Zellinneren ausgesetzt, die Kontakte sind aber hermetisch gegenüber dem Zellinneren abgeschlossen, um eine Korrosion der Kontakte zu verhindern. Optional ist im Inneren der Glasampulle eine Flüssigkeit eingefüllt (hermetisch verschlossen). Diese Flüssigkeit kann bei Austritt eine gewünschte chemische Reaktion auslösen, beispielsweise Substanzen aus dem Elektrolyt binden, die Flammtemperatur heraufsetzen, etc. Ein besonderer wichtiger Vorteil gegenüber einigen der heute verwendeten Lösungen ist, dass der zum Auslösen notwendige ohmsche Widerstand (welcher im normalen Betrieb zu

unerwünschten Verlusten führt) deutlich kleiner gewählt werden kann. In manchen Ausführungsbeispielen kann er sogar null sein, wenn beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel auf den verdünnten Anschlussbereich 280 verzichtet wird (ohne Verdünnung in Fig. 3).

Ein weiterer Vorteil ist, dass für eine (passive und/oder aktive) Auslösung über Innendruck keine Gehäusewandmodifikation notwendig ist. Derzeitige Systeme haben eine Knackfrosch-Membran in der Außenwand, welche bei Druckanstieg umklappt und einen gewollten Kurzschluss auslöst. Dafür muss z. B. der Zelldeckel modifiziert werden, um diese Membran unterzubringen.

Fig. 4 zeigt Blockschaltbild eines Verfahrens eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 400 zum Abkoppeln und/oder

Überbrücken von Anschlüssen für eine Batteriezelle weist einen Schritt 410 des Auslösens des zerstörbaren Körpers unter Verwendung einer physikalischen Größe auf, wobei der zerstörbare Körper von dem intakten Zustand in den nicht intakten, d. h. zerstörten Zustand wechselt.

Unter dem Verfahren 400, beziehungsweise einer elektromechanischen Einheit, welche das Verfahren 400 ausführt, kann ein Verfahren zur passiven und aktiven

Abkoppelung und Überbrückung von Batteriezellen zur Verhinderung und/oder Abschwächung von Störfällen verstanden werden.

Ein Aspekt des hier vorgestellten Verfahrens 400, bzw. einer

elektromechanischen Einheit, welche dieses Verfahren umsetzt und

Ausführungsbeispiele in den Figuren 1 bis 3 gezeigt sind,, ist die Verwendung verschiedener Messwerte und Kennzahlen über die Zellen einer Batterie zur Steuerung einer Aktorik innerhalb einer Zelle, welche reversibel oder irreversibel die Zelle, in welcher sie eingebaut ist, abtrennen und/oder überbrücken kann, um eine optimale Leistung und eine höchstmögliche Sicherheit der Zelle

herzustellen. Dies ist kombiniert mit einer in diesem Zusammenhang bis jetzt nicht verwendeten passiv auslösenden Schutzeinrichtung (thermisch auslösende Glasampulle). Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das

Verfahren 400 einen Schritt 410 des Auslösens auf, wobei die Auslösung über einen Druckanstieg im Gehäuse erfolgt (Ampulle implodiert) und/oder wobei die Auslösung über einen Temperaturanstieg innerhalb der Zelle erfolgt , und/oder wobei die Auslösung über einen Stromanstieg durch die Zelle erfolgt (externer Kurzschluss, die Verdünnung 280 in Fig. 3 erhitzt sich und löst die Ampulle aus), wobei die verdünnte Stelle 280 entfallen kann, wenn dieses Auslösekriterium nicht benötigt wird. Ferner kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel im Schritt 410 des Auslösens die Auslösung elektrisch erfolgen. Über einen Strom wird der Heizwendel in Fig. 3 erhitzt und löst die Ampulle aus. Hiermit können beliebige sinnvolle Kriterien, welche beispielsweise von einem elektronischen

System in Auslöser bewertet wurden, zur Auslösung herangezogen werden (z. B. Alterung). Wobei alternativ zur Heizwendel ein piezoelektrisches Material eingesetzt wird, welches bei durch den Auslöser angelegter Spannung seine Form verändert und die Ampulle zerbricht. Weiterhin kann in einem

Ausführungsbeispiel die Auslösung über Erschütterung (Schlag) und/oder über

Verformung erfolgen. Dies stellt einen neuartigen„passiven Crashsensor" für Batteriezellen dar. Treten bei einem Unfall hohe Beschleunigungen auf, zerbricht die Ampulle.

Verformt sich bei einem Unfall das Zellgehäuse, wobei sehr schwerwiegende Folgen dann zu erwarten sind, wird diese Verformung auf die Ampulle übertragen und führt zum Zerbrechen/Auslösung. Die Halterung der Ampulle ist in einem Ausführungsbeispiel entsprechend ausgeformt, um die Beschleunigungen und/oder Verformungen auf die Ampulle zu übertragen. Beispiele: scharfe Kante, welche in die Ampulle gedrückt wird. Scharfe Kante, welche sich bei hohen Beschleunigungen bewegt und die Ampulle zerschlägt. Je nach

Ausführungsbeispiel erfolgt die Auslösung über alle oder eine teilweise

Kombination der vorherigen Methoden. Bei unterschiedlichen Ereignissen erfolgen unterschiedliche Reaktionen. Beispiele: Bei einem Crash ist es vorteilhaft, wenn die Zelle abgekoppelt wird, aber die Zelle nicht überbrückt wird. Damit kann ein passiver Mechanismus in der Zelle den gesamten Batteriestrang auftrennen und wird damit eine Absicherung des Batterieschützes (Redundanz). Ausführungsmöglichkeiten: Mehr als eine Glasampulle, eine Glasampulle, welche aber abhängig vom Auslöser unterschiedlich zerbricht. Ein optional vorhandener hochohmiger Widerstand führt nach Auslösung eine langsame Entladung der Zelle herbei und bringt dadurch die Zelle in einen sicheren

Zustand.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.

Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.