具有断开装置的电池单池、电池系统和机动车的制作方法

1.本发明涉及一种用于机动车的电池系统的电池单池。此外，本发明涉及一种用于机动车的具有按本发明所述类型的电池单池的电池系统以及一种具有按本发明所述类型的电池系统的机动车。


背景技术：

2.已知柱状的以及棱柱型的电池单池，它们为了保护电池单池、尤其是防止热失控而具有安全装置，例如电流中断装置(current interrupt device，cid)或者过充电安全装置(overcharging safety device，osd)。这种安全装置通常具有安全电路，所述安全电路在单池内部存在临界内部压力、临界内部温度或者临界气体浓度的情况下中断电池单池的例如整合为单池卷包(zellwickel)的活性材料与从电池单池中导出的电极之间的电耦连。这种安全装置对于设计为袋型单池(pouchzelle)的电池单池当前只能非常耗费地实现。
3.由de 10 2016 110 778 a1已知一种设计为袋型单池的电池单池，其具有保护装置，其中可以根据电池单池的膨胀断开电池单池的第一内部导体与电池单池的第二内部导体之间的电耦连。为此第二内部导体例如通过粘接层保持在下部的单池壁上，并且通过弯折区段与第一内部导体的第一区段电耦连。第一区段例如通过粘接层保持在电池单池的上部的单池壁上，并且通过额定断裂部位与第一内部导体的第二区段电耦连。第二区段通过电绝缘的粘接层耦连在第二内部导体上。在电池单池的临界膨胀时，上部的单池壁这样从下部的单池壁上移除，使得弯折区段至少部分塑性地变形并且额定断裂部位断裂。因此，第一内部导体的第一区段与第二区段之间的电耦连中断。以此方式能够将电池单池与其余的电池系统自动地断开。弯折区域设计用于在电池单池例如从塑性变形中回复变形时保持不变，使得进一步地保持第一内部导体的第一区段与第二区段之间的电耦连的中断。
4.已知的设计为袋型单池的具有保护装置的电池单池具有的缺点是，为了中断电耦连需要单池壁的较大变形。这尤其在具有加压装置的电池系统中是有问题的，通过所述加压装置能够将电池单池压到一起，以便提高有效功率以及提高使用寿命。另一缺点是，在电流负荷较高并且电耦连断开过慢时可能形成电弧，电流首先流过所述电弧。由此形成热量，通过所述热量可能将之前断开的放电器元件焊接。所述元件由此又相互电耦连。


技术实现要素：

5.因此，本发明所要解决的技术问题在于，消除或者至少部分地消除在电池单池中的上述缺点。本发明所要解决的技术问题尤其在于，提供一种电池单池、电池系统和机动车，它们以简单和成本低廉的方式方法确保更好地断开损坏的电池单池与电池系统的其它电池单池的电耦连。
6.该技术问题按本发明通过用于机动车的电池系统的电池单池、通过用于机动车的电池系统以及通过机动车解决。
7.本发明的其它特征和细节由说明书和附图得出。在此，与按照本发明的电池单池
相关地描述的特征和细节当然也与按照本发明的电池系统以及按照本发明的机动车相关地适用并且相应地反之亦然，因此关于对各个单独的发明方面的公开总是能够交替地被引用。
8.按照本发明的第一方面，所述技术问题通过用于机动车的电池系统的电池单池解决。电池单池具有柔性的单池壁、由单池壁形成的单池内部空间、布置在单池内部空间中的用于存储和释放电能的活性材料以及放电器装置(ableitervorrichtung)，所述放电器装置用于提供活性材料与电池系统的其它部件的电耦连。放电器装置具有第一放电器区段和第二放电器区段，所述第二放电器区段与第一放电器区段机械地以及电地耦连。按照本发明，电池单池具有用于断开第一放电器区段与第二放电器区段之间的机械和电的耦连的断开装置(trennvorrichtung)以及用于移动所述断开装置的执行器装置，其中，所述执行器装置设计用于，在利用单池内部空间中的单池内部压力与单池内部空间外部的较小的单池外部压力之间的正压力差的情况下，将所述断开装置从原始位置移动到在第一放电器区段与第二放电器区段之间的中断位置中。
9.电池系统优选设计用于运行机动车的电动机和功率电子器件。电池单池优选设计为袋型单池。单池壁由柔性材料、例如铝或塑料等形成。单池壁优选设计为膜状。此外，单池壁具有至少一条用于形成向外密封的单池内部空间的接缝。所述接缝优选设计为焊缝或粘接缝等。
10.活性材料布置在单池内部空间中。在本发明的范围内，活性材料理解为确保通过电池单池的放电器存储以及释放电能的材料或者材料混合物。活性材料优选具有锂离子。按照本发明，活性材料能够以层的形式、尤其堆叠或者折叠地布置在单池内部空间中。
11.放电器装置设计用于提供活性材料与电池系统的其它部件的电耦连，所述其它部件例如是尤其在串联电路或者并联电路的范围内的其它电池单池、或者是电池系统的用于向机动车的电负载输出电能以及用于引入电能以便为电池单池充电的主放电器。为了提供电耦连，放电器装置具有第一放电器区段和第二放电器区段。
12.第一放电器区段与第二放电器区段机械地以及电地耦连。第一放电器区段与第二放电器区段的机械和电的耦连例如可以通过粘接、卷边、压制、熔焊或钎焊等形成。在此优选的是，第一放电器区段和第二放电器区段形成共同的重叠区域。所述重叠区域优选具有朝向断开装置的断开缝隙。所述断开缝隙优选具有增大部，以便更好地将断开装置导入断开缝隙中。备选地按照本发明可以规定，断开装置的一部分已经布置在断开缝隙的内部。在压制时，通过加压力(druckkraft)将第一放电器区段和第二放电器区段在重叠区域中压在彼此上。所述加压力例如可以通过第一放电器区段和/或第二放电器区段的内应力或者通过附加的加压装置、例如弹簧装置提供。
13.按照备选的实施方式，第一放电器区段和第二放电器区段可以相互整体式或者说单块式地设计。在这种情况下优选的是，第一放电器区段和第二放电器区段之间的中间区域横向于、特别优选地垂直于断开装置布置，因此确保了通过断开装置对中间区域的可靠切断。第一放电器区段和第二放电器区段之间的过渡区域优选具有额定断裂部位或折痕等。
14.断开装置设计用于，在原始位置使得第一放电器区段与第二放电器区段存在机械和电的耦连，并且在中断位置中将所述机械和电的耦连中断。在中断位置中，断开装置优选
布置在第一放电器区段与第二放电器区段之间，因此第一放电器区段与第二放电器区段相间隔地布置。断开装置优选设计用于在中断位置中开放例如接缝部位处的单池壁，从而单池气体可以从单池内部空间中逸出。进一步优选地，断开装置具有端部止挡，所述端部止挡设计用于限制断开装置的移动，例如在中断位置中或者在从原始位置朝向中断位置的移动方向上，以便例如避免断开装置从电池单池中掉出。
15.执行器装置设计用于，根据单池内部压力与单池外部压力的比例将断开装置从原始位置移动到中断位置中。在完全功能正常的电池单池中，断开装置优选布置在原始位置中。执行器装置还设计用于，通过单池内部压力与单池外部压力之间的正压力差作用产生所述移动。在本发明的范围内，单池内部压力与单池外部压力之间的正压力差理解为，单池内部压力大于单池外部压力。单池内部压力的升高通常是由于活性材料的化学反应，尤其是由于老化或者过载。因此，执行器装置与单池内部压力这样机械地耦合，使得压力差作用在执行器装置上。
16.执行器装置优选设计用于，在正压力差超过压力阈值时，才将断开装置移动到中断位置中。在此，两个备选的实施方式按照本发明是优选的。按照第一实施方式，执行器装置设计用于，在达到压力阈值时，才将断开装置从原始位置中移出。断开装置进入中断位置的移动则在相对较快的连续移动中实现。按照第二实施方式，执行器装置设计用于，在出现相对较低的正压力差时就已经将断开装置朝中断位置的方向移动相应较小的部分路段。在达到压力阈值时，才到达中断位置。断开装置进入中断位置的移动则在相对较慢的、可能不连续的移动中实现。
17.优选根据电池单池的机械的以及化学的或者电化学的特征值决定压力阈值，并且确定在哪个压力差处应该断开电池单池与电池系统的其余部分的电耦连，以便避免或者至少减少电池单池以及电池系统的进一步损坏。所述压力阈值优选低于单池壁的接缝面临开放危险的临界压力阈值。以此方式能够防止，单池气体通过损坏的接缝逸出并且因此在单池内部空间中没有达到或者以较大的延迟达到压力阈值，例如在电池单池已经热失控的情况下。
18.电池单池优选具有信号装置，所述信号装置设计用于，在断开装置布置于中断位置中时输出信号。信号装置优选设计用于，在断开装置已经从原始位置中移出，优选在断开装置已经移动经过原始位置与中断位置之间的路段的约50％时输出信号。信号装置优选具有固定的第一电触头以及能够与断开装置共同移动的第二电触头。在原始位置中，第一电触头和第二电触头优选彼此分隔开。在中断位置中，第一电触头接触第二电触头，因此电路闭合。以此方式能够可靠地以及以简单的方式并且成本低廉地探测到电池系统的具体电池单池的电脱耦。
19.根据本发明的电池单池相对于传统的电池单池具有的优点是，如果单池内部压力与单池外部压力之比超过临界极限值，则可以通过简单的器件并且以成本低廉的方式方法自动中断第一放电器区段与第二放电器区段之间的电耦连。由于执行器装置与单池内部压力和单池外部压力之间的压力差的有效耦合，单池内部压力的测量和用于控制执行器装置的控制装置是不必要的。因此与传统的电池单池相比，所述电池单池系统的复杂性明显降低并且电池单池的运行安全性明显改善。
20.根据本发明的优选的扩展设计，可以在电池单池中规定，所述断开装置具有楔形
横截面，其中，断开装置的尖的楔形端部朝第一放电器区段与第二放电器区段之间的断开缝隙的方向定向。尖部优选地这样定向，使得当断开装置从原始位置向中断位置线性移动时，所述尖部在第一放电器区段和第二放电器区段之间移动，以中断机械和电的耦连。通过将断开装置移动到断开缝隙中，断开装置的第一楔形面与第一放电器区段接触，并且断开装置的第二楔形面与第二放电器区段接触。通过断开装置朝中断位置的方向的进一步移动，能够以此方式通过断开装置将力施加在第一放电器区段和第二放电器区段上，通过该力可以将第一放电器区段和第二放电器区段彼此远离地推开。当到达中断位置时，第一放电器区段和第二放电器区段彼此机械地和电地脱耦并且通过断开装置彼此间隔开。这具有以下优点，即可以使用简单的器件并且以成本低廉的方式方法可靠地中断第一放电器区段和第二放电器区段之间的机械和电的耦连。
21.根据本发明优选的是，所述断开装置具有切割装置(schneidvorrichtung)，所述切割装置用于切断第一放电器区段与第二放电器区段之间的机械连接。切割装置优选这样布置在断开装置上，使得切割装置在从原始位置移动到中断位置时接触并且切断第一放电器区段和第二放电器区段之间的额定断开线。切割装置优选具有切割刀片，该切割刀片优选倾斜于断开装置的运动方向地设计，以便减小最大切割力并且因此减小用于将断开装置朝中断位置的方向移动所需的加压力。这具有以下优点，即第一放电器区段与第二放电器区段的断开通过简单的器件并且以成本低廉的方式方法得到改善。
22.更优选地，所述切割装置具有比断开装置的与所述切割装置相邻的区域更硬的材料。切割装置优选地具有金属或硬质陶瓷等。此外优选地，切割装置具有比相邻区域更小的厚度，以更好地进入放电器装置的材料中。切割装置优选通过涂层、成型或粘接等方式布置在断开装置的基体上。在由导电材料制成的切割装置的情况下，断开装置优选设计用于将切割装置足够远离第一放电器区段和/或第二放电器区段地移动到中断位置中，以避免在第一放电器区段和第二放电器区段之间通过切割装置产生电流流动或电弧等。这具有以下优点，即以简单的器件和以成本低廉的方式方法改进了第一放电器区段与第二放电器区段的断开。
23.在本发明的特别优选的设计方案中，可以在电池单池中规定，所述断开装置通过线性导引件线性地导引，以便在第一放电器区段与第二放电器区段之间移动。线性导引件优选地具有轨道，断开装置优选贴靠在所述轨道上和/或所述轨道至少部分地被断开装置包围。作为备选或补充，线性导引件具有沿线性导引件的导引方向延伸的空心体，例如空心柱体、空心直角平行六面体、半圆形通道等，断开装置布置在所述空心体中并且线性地导引。这具有以下优点，即以简单的器件和以成本低廉的方式方法确保断开装置在移动到中断位置中时的倾斜(verkanten)，并且因此确保断开装置安全地移动到中断位置中。以此方式确保第一放电器区段与第二放电器区段的按规定的断开。
24.优选地，所述断开装置由电绝缘材料形成或者具有电绝缘材料。电绝缘材料优选地通过涂层、成型或粘接等方式布置在断开装置的基体上。断开装置优选设计成，使得绝缘材料这样布置在第一放电器区段和第二放电器区段之间的中断位置中，由此可靠地避免第一放电器区段和第二放电器区段之间的电耦连。这优选还包括可能由冲击或振动等引起的自发电耦连。因此，断开装置优选地设计成使得绝缘材料在中断位置中与第一放电器区段和第二放电器区段接触并且将它们彼此保持距离。这具有的优点是，能够通过简单的器件
并且以成本低廉的方式方法实现电池单池与电池系统的其它部件的安全的电隔离(或者说电断开)。
25.根据本发明的优选实施方式，所述执行器装置具有用于提供与压力差相关的相对于压力差的反力的回拉(r
ü
ckzieh)器件和/或用于提供用于保持断开装置的保持力的保持(r
ü
ckhalte)器件。回拉器件优选地包括弹簧装置。
26.回拉器件优选地在原始位置中是松弛的并且可以通过断开装置朝中断位置的方向的移动而绷紧，从而由此可以产生朝原始位置的方向的回复力。回拉器件优选地具有定义的、路径-力水平适配的特性曲线，尤其是弹簧特性曲线。原始位置中的预紧力或者启动回复力优选设计为可适配的(或者说可调整的)。优选地，回拉器件的尺寸设计成使得断开装置只在达到预设的压力阈值时才到达中断位置。保持器件优选地具有摩擦面和/或剪切螺栓和/或额定断裂部位和/或附着层和/或粘接层等。保持器件优选地设计用于提供静态保持力。保持器件优选地设计用于当压力差低于压力阈值时将断开装置保持在原始位置中，并且在例如由于剪切螺栓、额定断裂部位或者粘接层的失效而达到压力阈值时释放断开装置。备选地，保持器件根据本发明可以设计用于这样阻止断开装置的运动，使得当单池内部压力低于压力阈值时避免到达中断位置。这具有的优点是，可以通过简单的器件并且以成本低廉的方式方法确保电耦连的根据需要的断开。
27.所述执行器装置特别优选地具有锁止器件，所述锁止器件用于锁止断开装置的朝原始位置的方向的回拉移动。锁止器件优选地具有卡锁装置、锁止爪或锁止齿等。锁止器件优选地设计用于这样限制断开装置的运动方向，使得只允许断开装置朝中断位置的方向移动。由此可以避免断开装置的例如由于激励振荡或冲击等产生的振荡、尤其是平移振荡。作为补充或备选，锁止器件设计用于将断开装置保持在中断位置。因此可以避免，在第一放电器区段和第二放电器区段之间的电耦连断开之后，断开装置离开中断位置并且恢复电耦连。这具有以下优点，即以简单的器件并且以成本低廉的方式方法改善电池单池的运行安全性。
28.根据本发明的第二方面，所述技术问题通过一种用于机动车的电池系统解决。电池系统具有系统壳体。根据本发明，在系统壳体内布置有多个根据本发明的电池单池。系统壳体优选地由相对较硬(或者说刚性相对较大)的材料形成，以便为电池单池提供保护以防止例如由于机动车碰撞产生的外部机械影响。电池单池优选彼此电连接，例如串联和/或者并联。电池单池优选地组合成一个或者多个电池单池堆垛。此外，电池系统优选地针对一个或者多个、优选所有电池单池堆垛具有加压装置，用于将相应的电池单池堆垛的电池单池压在一起。电池系统优选具有两个或者更多个用于将电池系统与机动车电耦连的主放电器。电池系统优选地设计用于运行机动车的电动机和功率电子器件。
29.在根据本发明的电池系统中产生针对根据本发明的第一方面的电池单池已经描述的所有优点。因此，根据本发明的电池系统相对于传统的电池系统具有以下优点，即如果单池内部压力与单池外部压力之比超过临界极限值，则可以通过简单的器件并且以成本低廉的方式方法自动中断第一放电器区段与第二放电器区段之间的电耦连。由于执行器装置与单池内部压力和单池外部压力之间的压力差的有效耦合，单池内部压力的测量和用于控制执行器装置的控制装置是不必要的。因此与传统的电池单池系统相比，所述电池单池系统的复杂性明显降低并且电池单池系统的运行安全性明显改善。
30.根据本发明的第三方面，所述技术问题通过机动车解决。所述机动车具有电气的驱动系统，所述驱动系统具有用于驱动机动车的电动机。根据本发明，所述驱动系统具有根据本发明的电池系统，以便为电动机提供电能。电池系统与电动机优选地通过用于运行电动机的功率电子器件电耦连。根据本发明，机动车可以具有多个用于驱动机动车的电动机，尤其是用于驱动机动车的前桥的电动机和用于驱动机动车的后桥的电动机。
31.在根据本发明的机动车中产生针对根据本发明的第一方面的电池单池和针对根据本发明的第二方面的电池系统已经描述的所有优点。因此，根据本发明的机动车相对于传统的机动车具有以下优点，即如果单池内部压力与单池外部压力之比超过临界极限值，则可以通过简单的器件并且以成本低廉的方式方法自动中断第一放电器区段与第二放电器区段之间的电耦连。由于执行器装置与单池内部压力和单池外部压力之间的压力差的有效耦合，单池内部压力的测量和用于控制执行器装置的控制装置是不必要的。因此与传统的机动车相比，所述机动车的复杂性明显降低并且机动车的运行安全性明显改善。
附图说明
32.以下参照附图更详细地阐述根据本发明的电池单池、根据本发明的电池系统和根据本发明的机动车。在附图中分别示意性地：
33.图1示出根据本发明的第一优选实施方式的电池单池在原始位置中的立体图；
34.图2以剖视图示出图1中的电池单池在原始位置中的局部；
35.图3以剖视图示出图1中的电池单池在中断位置中的局部；
36.图4以剖视图示出根据本发明的第二优选实施方式的电池单池在原始位置中的局部；
37.图5以立体图示出根据第三优选实施方式的电池单池的局部；
38.图6以剖视图示出根据本发明的优选实施方式的电池系统；并且
39.图7以侧视图示出根据本发明的机动车的优选实施方式。
40.具有相同功能和作用方式的元件在图1至图7中配设有相同的附图标记。
具体实施方式
41.在图1中示意性地以立体图示出根据本发明的第一优选实施方式的处于原始位置a中的电池单池1。电池单池1设计为袋型单池并且具有柔性的单池壁4，所述单池壁在边缘区域中具有环绕的接缝23并且包围单池内部空间5。放电器装置7在电池单池1的一侧从单池内部空间5引出。放电器装置7具有突伸到单池内部空间5中的第一放电器区段7a和布置在单池内部空间5外部的第二放电器区段7b，所述第二放电器区段通过重叠区域在形成断开缝隙11的情况下与第一放电器区段7a机械和电地耦连。此外，用于将第一放电器区段7a与第二放电器区段7b机械地和电地断开的断开装置8从单池内部空间5伸出。断开装置8显示在原始位置a中，并且可以通过执行器装置9在利用单池内部空间5中的单池内部空间压力和单池内部空间5外部的较低的单池外部压力之间的压力差的情况下移动到中断位置u(参见图3)中。在原始位置a中，断开装置与重叠区域间隔地布置并且朝向断开缝隙11。
42.图2以剖视图示意性地示出了图1中的电池单池1在原始位置a中的局部。在该视图中显示了布置在单池内部空间5中的由活性材料6组成的堆垛，所述堆垛与第一放电器区段
7a电耦连。断开装置8通过线性导引件13沿第一放电器区段7a线性地导引并且具有楔形设计的切割装置12。切割装置12的楔形端部10相邻于断开缝隙11地布置并且朝向断开缝隙11。断开装置8通过设计为粘接部位的保持器件15保持在第一放电器区段7a上的原始位置a中。单池壁4优选通过未示出的密封装置相对于断开装置8密封，以避免单池气体从单池内部空间5逸出。执行器装置9设计用于，在单池内部压力与单池外部压力之间的压力差超过压力阈值时，通过利用单池内部压力在克服保持器件15的情况下将断开装置8从原始位置a移动至中断位置u中。
43.图3以剖视图示意性地示出了图1中的电池单池1在中断位置u中的局部。在中断位置u中，断开装置8的楔形端部10在放电器装置7的第一放电器区段7a和第二放电器区段7b之间移动，使得第一放电器区段7a与第二放电器区段7b的机械和电耦连被中断。因此，电池单池1与电池系统2电脱耦(参见图5)。
44.图4以剖视图示意性地示出了根据本发明的第二优选实施方式的电池单池1在原始位置a中的局部。在该第二实施方式中，执行器装置9具有设计为螺旋弹簧的回拉器件14。断开装置8朝断开缝隙11的方向的移动可以这样通过回拉器件14被影响，使得断开装置只在达到压力阈值时才布置在中断位置u中。端部止挡24布置在线性导引件13上，以形状配合地避免断开装置8移出超过中断位置u。在该实施方式中，线性导引件13也设计为用于探测中断位置u的传感器系统。
45.在图5中以立体图示意性地示出了根据第三优选实施方式的电池单池1的局部。线性导引件13设计为空心柱体，其中，断开装置8具有在空心柱体中线性地导引的柱形区段8a。在线性导引件13内布置有在该视图中隐藏的锁止器件16，用于防止断开装置8朝原始位置a的方向的回拉移动。在该视图中未示出放电器装置7。
46.图6以剖视图示意性地示出了根据本发明的优选实施方式的电池系统2。电池系统2具有多个根据本发明的电池单池1，所述电池单池组合成多个单池堆垛20并且布置在电池系统2的系统壳体17内。单池堆垛20分别通过加压装置21支撑在系统壳体17中。
47.在图7中以侧视图示意性地示出了根据本发明的机动车3的优选实施方式。机动车3具有电气的驱动系统18，所述驱动系统18具有用于驱动机动车3的电动机19、用于控制电动机19的功率电子器件22以及根据本发明的电池系统2，所述电池系统用于提供用于运行功率电子器件22和电动机19的电能。
48.附图标记清单
49.1 电池单池
50.2 电池系统
51.3 机动车
52.4 单池壁
53.5 单池内部空间
54.6 活性材料
55.7 放电器装置
56.7a 第一放电器区段
57.7b 第二放电器区段
58.8 断开装置
59.8a 柱形区段
60.9 执行器装置
61.10 楔形端部
62.11 断开缝隙
63.12 切割装置
64.13 线性导引件
65.14 回拉器件
66.15 保持器件
67.16 锁止器件
68.17 系统壳体
69.18 驱动系统
70.19 电动机
71.20 单池堆垛
72.21 加压装置
73.22 功率电子器件
74.23 接缝
75.24 端部止挡
76.a 原始位置
77.u 中断位置