DE102011117474A1 - Energy storage cell and energy storage device with several such energy storage cells - Google Patents
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Abstract
Eine Energiespeicherzelle (10) weist wenigstens einen Elektrodenstapel (12), welcher innerhalb einer Zellumhüllung (11) angeordnet ist, einen ersten Zellanschluss (14), welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung (11) angeordnet ist und über wenigstens einen ersten Stromableiter (18) mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel (12) elektrisch leitend verbunden ist, und einen zweiten Zellanschluss (16), welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung (11) angeordnet ist und über wenigstens einen zweiten Stromableiter (20) mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel (12) elektrisch leitend verbunden ist, auf. Die Energiespeicherzelle (10) weist ferner wenigstens einen elektrischen Verbraucher (24) zum Beispiel in Form eines Widerstandes auf, welcher parallel zu dem wenigstens einen Elektrodenstapel (12) geschaltet ist, und wenigstens eine Schaltvorrichtung (26, 32), welche in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher (24) geschaltet ist, wobei die wenigstens eine Schaltvorrichtung (26, 32) ansteuerbar ist, um den wenigstens einen Elektrodenstapel (12) über den wenigstens einen elektrischen Verbraucher (24) zu entladen. Vorzugsweise ist noch ein dritter Zellanschluss (34) vorgesehen, welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung (11) angeordnet ist und über den ersten oder den zweiten Stromableiter (18, 20) mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist, wobei dieser dritte Zellanschluss (34) in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher (24) geschaltet ist.An energy storage cell (10) has at least one electrode stack (12) which is arranged within a cell envelope (11), a first cell terminal (14) which is at least partially arranged outside the cell envelope (11) and via at least one first current conductor (18). to the at least one electrode stack (12) is electrically conductively connected, and a second cell terminal (16) which at least partially outside the cell envelope (11) is arranged and at least one second current conductor (20) with the at least one electrode stack (12) electrically conductively connected. The energy storage cell (10) further comprises at least one electrical load (24), for example in the form of a resistor, which is connected in parallel with the at least one electrode stack (12), and at least one switching device (26, 32) connected in series with the at least one electrical load (24) is connected, wherein the at least one switching device (26, 32) is controllable to discharge the at least one electrode stack (12) via the at least one electrical load (24). Preferably, a third cell connection (34) is also provided which is arranged at least partially outside the cell envelope (11) and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via the first or the second current conductor (18, 20), this third cell connection ( 34) is connected in series with the at least one electrical load (24).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle, insbesondere eine elektrochemische Energiespeicherzelle, sowie eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren solchen Energiespeicherzellen.The present invention relates to an energy storage cell, in particular an electrochemical energy storage cell, and to an energy storage device having a plurality of such energy storage cells.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen weisen üblicherweise wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (häufig auch als elektrochemische oder galvanische Zelle bezeichnet) auf. Herkömmlicherweise weist eine solche elektrochemische Energiespeicherzelle wenigstens einen Elektrodenstapel mit einer Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten auf, der innerhalb einer Zellumhüllung angeordnet bzw. zumindest teilweise von einer solchen umschlossen ist. Die zwei Elektroden bzw. Elektrodengruppen des Elektrodenstapels sind jeweils elektrisch leitend mit einem Stromableiter verbunden oder ausgebildet, welcher zumindest teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und zum Transport elektrischer Energie in die Energiespeicherzelle oder aus der Energiespeicherzelle heraus dient. Die Stromableiter sind wiederum jeweils mit einem elektrisch leitenden Zellanschluss verbunden, welcher dem elektrischen Anschluss der Energiespeicherzelle zum Beispiel in einer Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen dient.Electrochemical energy storage devices typically include at least one electrochemical energy storage cell (often referred to as an electrochemical or galvanic cell). Conventionally, such an electrochemical energy storage cell has at least one electrode stack with an arrangement of at least two electrodes and an electrolyte arranged between them, which is arranged within a cell envelope or at least partially enclosed by such. The two electrodes or electrode groups of the electrode stack are each connected or formed in an electrically conductive manner with a current conductor, which is arranged at least partially outside the cell envelope and serves to transport electrical energy into the energy storage cell or out of the energy storage cell. The current conductors are in turn each connected to an electrically conductive cell terminal, which serves the electrical connection of the energy storage cell, for example in an energy storage device having a plurality of energy storage cells.
Problematisch bei solchen Energiespeicherzelle bzw. -vorrichtungen ist die Handhabung defekter oder möglicherweise defekter Systeme. Wenn die ordnungsgemäße Funktion der Energiespeichervorrichtung oder ihrer Zellen fraglich ist oder eine potentielle Gefährdung durch sie vorliegt, ist die Handhabung (Transport, etc.) durch einen Benutzer gefährlich oder sogar gesetzlich verboten. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Energiespeichervorrichtungen zu beachten, deren Energiespeicherzellen einen kritischen Ladezustand mit einem hohen Spannungswert enthalten. Ähnliche Probleme entstehen im Fall von Wartungs- und Reparaturarbeiten zum Beispiel an einem Fahrzeug mit einer Batterieanordnung mit solchen Energiespeichervorrichtungen.The problem with such energy storage cell or devices is the handling of defective or possibly defective systems. If the proper functioning of the energy storage device or its cells is questionable or potentially at risk, handling (transportation, etc.) by a user is hazardous or even prohibited by law. In this context, in particular energy storage devices are to be considered, the energy storage cells contain a critical state of charge with a high voltage value. Similar problems arise in the case of maintenance and repair work on, for example, a vehicle having a battery assembly with such energy storage devices.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Energiespeicherzelle zu schaffen, welche eine sichere Handhabung einer Energiespeichervorrichtung mit insbesondere mehreren solchen Energiespeicherzellen ermöglicht.It is the object of the present invention to provide an improved energy storage cell, which enables safe handling of an energy storage device with in particular a plurality of such energy storage cells.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeicherzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by an energy storage cell with the features of claim 1. Particularly preferred embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Energiespeicherzelle der Erfindung weist wenigstens einen Elektrodenstapel, welcher innerhalb einer Zellumhüllung angeordnet ist; einen ersten Zellanschluss, welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und über wenigstens einen ersten Stromableiter mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist; und einen zweiten Zellanschluss, welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und über wenigstens einen zweiten Stromableiter mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist, auf. Erfindungsgemäß weist die Energiespeicherzelle ferner wenigstens einen elektrischen Verbraucher, welcher parallel zu dem wenigstens einen Elektrodenstapel geschaltet ist, und wenigstens eine Schaltvorrichtung, welche in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher geschaltet ist, auf, wobei die wenigstens eine Schaltvorrichtung ansteuerbar ist, um den wenigstens einen Elektrodenstapel über den wenigstens einen elektrischen Verbraucher zu entladen.The energy storage cell of the invention comprises at least one electrode stack disposed within a cell envelope; a first cell terminal, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via at least one first current conductor; and a second cell terminal, which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via at least one second current conductor. According to the invention, the energy storage cell further comprises at least one electrical load, which is connected in parallel to the at least one electrode stack, and at least one switching device which is connected in series with the at least one electrical load, wherein the at least one switching device is controllable to at least to discharge an electrode stack via the at least one electrical load.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle weist eine Reihenschaltung aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und wenigstens einer Schaltvorrichtung auf, wobei der wenigstens eine elektrische Verbraucher parallel zu dem wenigstens einen Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle geschaltet ist. Die Schaltvorrichtung ist derart ansteuerbar, dass der wenigstens eine Elektrodenstapel über den wenigstens einen elektrischen Verbraucher entladen wird. Auf diese Weise kann die Energiespeicherzelle und damit eine Energiespeichervorrichtung mit dieser Energiespeicherzelle in einen sicheren Betriebszustand mit einer niedrigen Betriebsspannung überführt werden. Dies ist beispielsweise für den Transport von solchen Energiespeichervorrichtungen oder für Wartungs- und Reparaturarbeiten zum Beispiel an Kraftfahrzeugen von Vorteil.The energy storage cell according to the invention has a series connection of at least one electrical load and at least one switching device, wherein the at least one electrical load is connected in parallel to the at least one electrode stack of the energy storage cell. The switching device can be controlled such that the at least one electrode stack is discharged via the at least one electrical load. In this way, the energy storage cell and thus an energy storage device with this energy storage cell can be converted into a safe operating state with a low operating voltage. This is for example for the transport of such energy storage devices or for maintenance and repair work, for example on motor vehicles advantage.
Diese vorteilhafte Entladefunktion der Energiespeicherzelle ist erfindungsgemäß in die Energiespeicherzelle integriert. D. h. der Benutzer benötigt keine zusätzlichen Komponenten, die er zum Überführen der Energiespeicherzelle in einen sicheren Zustand an die Energiespeicherzelle bzw. Energiespeichervorrichtung anschließen müsste. Dies vereinfacht den Umgang mit der Energiespeicherzelle bzw. -vorrichtung für den Benutzer und erhöht damit auch seine Sicherheit. Aufgrund der Integration der Entladefunktion in die Energiespeicherzelle besteht auch die Möglichkeit der automatischen Entladung, insbesondere durch eine Steuereinrichtung der Energiespeichervorrichtung, ohne dass ein Benutzer eingreifen muss. Auch hierdurch wird die Sicherheit für den Benutzer und die Umgebung erhöht.This advantageous discharge function of the energy storage cell is inventively integrated into the energy storage cell. Ie. the user does not need any additional components that he would have to connect to the energy storage cell or energy storage device for transferring the energy storage cell in a safe state. This simplifies the handling of the energy storage cell or device for the user and thus also increases his safety. Due to the integration of the discharge function in the energy storage cell, there is also the possibility of automatic discharge, in particular by a control device of the energy storage device, without a user having to intervene. This also increases the security for the user and the environment.
Die erfindungsgemäße Konstruktion eröffnet zudem die Möglichkeit, die Energiespeicherzelle bzw. einzelne Energiespeicherzellen innerhalb einer Energiespeichervorrichtung bei Bedarf zumindest teilweise zu entladen, um deren aktuelle Betriebsspannung zu verringern. So kann beispielsweise die individuelle maximale Spannungsobergrenze der Energiespeicherzelle bei bzw. nach Ladevorgängen eingehalten werden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der einzelnen Energiespeicherzellen erhöht werden.The construction of the invention also opens up the possibility that Energy storage cell or individual energy storage cells within an energy storage device when needed at least partially discharged to reduce their current operating voltage. For example, the individual maximum voltage upper limit of the energy storage cell can be maintained during or after charging processes. In this way, the life of the individual energy storage cells can be increased.
Die Integration des Entladekreises mit dem elektrischen Verbraucher und der Schaltvorrichtung mit der Energiespeicherzelle ergibt zudem einen sehr kompakten Aufbau.The integration of the discharge circuit with the electrical load and the switching device with the energy storage cell also results in a very compact design.
Unter einer Energiespeichervorrichtung wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Als Energiespeicherzelle wird im Sinne der Erfindung eine in sich abgeschlossene Funktionseinheit der Energiespeichervorrichtung verstanden, die für sich genommen ebenfalls in der Lage ist, elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung kann eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen aufweisen.In the context of the invention, an energy storage device is understood as meaning a device which is capable of picking up, storing and releasing in particular electrical energy, in particular by utilizing electrochemical processes. As an energy storage cell is understood within the meaning of the invention, a self-contained functional unit of the energy storage device, which in itself is also able to absorb electrical energy, store and release again, in particular by utilizing electrochemical processes. An energy storage device according to the invention may comprise an energy storage cell or a plurality of energy storage cells.
Eine Energiespeicherzelle kann beispielsweise, aber nicht nur eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle (im Rahmen dieser Anmeldung werden Primär- und Sekundärzellen unterschiedslos als Batteriezellen und eine daraus aufgebaute Energiespeichervorrichtung als Batterie bzw. Batterieanordnung bezeichnet), eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang unter einer Energiespeicherzelle eine elektrochemische Energiespeicherzelle verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemische Energiespeicher sind galvanische Zellen und Brennstoffzellen.An energy storage cell can, for example, but not only a galvanic primary or secondary cell (in this application primary and secondary cells are indiscriminately referred to as battery cells and an energy storage device constructed therefrom as a battery or battery assembly), a fuel cell, a high power capacitor or an energy storage cell of another kind be. In particular, in this context, an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device. Important examples of such electrochemical energy stores are galvanic cells and fuel cells.
Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist vorzugsweise einen aktiven Bereich oder aktiven Teil, in welchem elektrochemische Umwandlungs- und Speicherungsprozesse stattfinden, und eine (Zell-)Umhüllung zur Kapselung des aktiven Teils von der Umgebung auf. Der aktive Teil weist vorzugsweise einen Elektrodenstapel auf, der aus einer Elektrodenanordnung aus Elektroden, aktiven Schichten, Separatorschichten und einem von den Separatorschichten aufgenommen Elektrolyten gebildet ist. Die Elektroden sind vorzugsweise plattenförmig oder folienartig ausgebildet und bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann auch gewickelt sein und eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff Elektrodenstapel soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Die aktiven Schichten und Separatorschichten können wenigstens teilweise als eigenständige Folienzuschnitte oder als Beschichtungen der Elektroden vorgesehen sein. Der Elektrolyt der Energiespeicherzelle enthält vorzugsweise Lithium-Ionen. Die Zellumhüllung ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung, welche geeignet ist, den Austritt von Chemikalien aus dem Elektrodenstapel in die Umgebung zu verhindern und die Bestandteile des Elektrodenstapels vor schädigenden äußeren Einflüssen zu schützen. Die Zellumhüllung kann aus einem oder aus mehreren Formteilen und/oder folienartig ausgebildet sein. Weiter kann die Zellumhüllung einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Die Zellumhüllung ist vorzugsweise aus einem gasdichten und elektrisch isolierenden Werkstoff oder Schichtverbund gebildet.An electrochemical energy storage cell preferably has an active area or part in which electrochemical conversion and storage processes take place, and a (cell) enclosure for encapsulating the active part from the environment. The active part preferably has an electrode stack which is formed from an electrode arrangement of electrodes, active layers, separator layers and an electrolyte accommodated by the separator layers. The electrodes are preferably plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to one another (prismatic energy storage cells). The electrode assembly may also be wound and have a substantially cylindrical shape (cylindrical energy storage cells). The term electrode stack should also include such electrode coils. The active layers and separator layers may be at least partially provided as independent foil blanks or as coatings of the electrodes. The electrolyte of the energy storage cell preferably contains lithium ions. The cell envelope in this context is a device which is suitable for preventing the escape of chemicals from the electrode stack into the environment and for protecting the components of the electrode stack from damaging external influences. The cell envelope may be formed from one or more moldings and / or film-like. Further, the cell envelope may be single-layered or multi-layered. The cell envelope is preferably formed from a gas-tight and electrically insulating material or layer composite.
Eine (elektrochemische) Energiespeicherzelle ist vorzugsweise mit wenigstens zwei Stromableitern (wenigstens einem ersten Stromableiter und wenigstens einem zweiten Stromableiter) versehen. Diese Stromableiter sind jeweils mit Elektroden des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden oder durch diese selbst gebildet. Unter einem Stromableiter soll im Rahmen der Erfindung sowohl ein separates Bauteil, welches mit den Elektroden der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden ist, als auch ein durch die Elektroden selbst gebildeter Stromableiter verstanden werden.An (electrochemical) energy storage cell is preferably provided with at least two current conductors (at least one first current collector and at least one second current collector). These current conductors are each electrically connected to electrodes of the electrode stack of the energy storage cell or formed by them themselves. In the context of the invention, a current conductor is understood to mean both a separate component, which is electrically conductively connected to the electrodes of the energy storage cell, and a current conductor formed by the electrodes themselves.
Die Stromableiter der Energiespeicherzelle verbinden jeweils den Elektrodenstapel mit einem Zellanschluss, welcher jeweils wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist. Die Zellanschlüsse können im Rahmen der Erfindung sowohl separate Bauteile sein, die mit den Stromableitern elektrisch leitend verbunden sind, als auch integral mit den Stromableitern ausgebildet sein. Die Zellanschlüsse dienen als elektrische Pole der Energiespeicherzellelle. Die Zellanschlüsse dienen jeweils dem elektrischen Anschluss der Energiespeicherzelle in einer Energiespeichervorrichtung oder Batterieanordnung. Falls die Energiespeicherzelle in einem Metallgehäuse eingebaut ist, sind der erste und der zweite Zellanschluss vorzugsweise gegenüber diesem Metallgehäuse elektrisch isoliert; wahlweise kann auch einer der beiden Zellanschlüsse durch das Metallgehäuse selbst gebildet sein.The current conductors of the energy storage cell each connect the electrode stack to a cell connection, which is in each case arranged at least partially outside the cell envelope. Within the scope of the invention, the cell terminals can both be separate components, which are electrically conductively connected to the current conductors, and can also be formed integrally with the current conductors. The cell connections serve as electrical poles of the energy storage cell. The cell connections each serve for the electrical connection of the energy storage cell in an energy storage device or battery arrangement. If the energy storage cell is installed in a metal housing, the first and second cell terminals are preferably electrically insulated from this metal housing; Optionally, one of the two cell connections can also be formed by the metal housing itself.
Ein elektrischer Verbraucher als Bestandteil der Energiespeicherzelle ist im Sinne der Erfindung jede Art von Verbraucher, der bei Anschluss an den Elektrodenstapel elektrische Energie verbraucht. Bei dem elektrischen Verbraucher handelt es sich bevorzugt um einen elektrischen Widerstand, vorzugsweise ausgebildet als Kaltleiter, oder um einen Strahler, der die elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung umwandelt und abgibt. Neben der elektromagnetischen Strahlung gibt der elektrische Verbraucher im Allgemeinen insbesondere auch Wärmeenergie ab. Der elektrische Verbraucher ist vorzugsweise niederohmig ausgebildet (Größenordnung von einigen Milliohm bis einigen Ohm). Von dem elektrischen Verbraucher der Energiespeicherzelle zu unterscheiden ist dabei insbesondere ein externer elektrischer Verbraucher, der von der Energiespeicherzelle bzw. der gesamten Batterieanordnung versorgt wird.An electrical consumer as part of the energy storage cell is within the meaning of the invention, any type of consumer when connected to the Electrode stack consumes electrical energy. The electrical load is preferably an electrical resistor, preferably designed as a PTC thermistor, or a radiator that converts and emits the electrical energy into electromagnetic radiation. In addition to the electromagnetic radiation, the electrical consumer generally also emits heat energy in particular. The electrical load is preferably formed low impedance (order of several milliohms to a few ohms). In this case, it should be distinguished from the electrical load of the energy storage cell in particular an external electrical load which is supplied by the energy storage cell or the entire battery arrangement.
Der wenigstens eine elektrische Verbraucher wird vorzugsweise je nach der maximalen Betriebsspannung der Energiespeicherzelle, der maximal gewünschten Entladezeit der Energiespeicherzelle, seinem möglichen Energieverbrauch, seiner möglichen Wärmeentwicklung und dergleichen ausgewählt bzw. angepasst.The at least one electrical load is preferably selected or adjusted depending on the maximum operating voltage of the energy storage cell, the maximum desired discharge time of the energy storage cell, its possible energy consumption, its possible evolution of heat and the like.
Unter der Schaltvorrichtung soll in diesem Zusammenhang jede Art von Schaltvorrichtung verstanden werden, die in einer solchen Weise angesteuert werden kann, dass der elektrische Verbraucher an den Elektrodenstapel angeschlossen wird, so dass der Elektrodenstapel sich über den elektrischen Verbraucher entlädt. Die Schaltvorrichtung wird vorzugsweise drahtlos angesteuert (z. B. per Funk) oder ist mittels Signalleitungen mit einer Steuereinrichtung verbunden. Die Schaltvorrichtung ist vorzugsweise eine Schaltvorrichtung, die zwischen einem ersten Schaltzustand (für den Normalbetriebszustand der Energiespeicherzelle) und einem zweiten Schaltzustand (zum Entladen des Elektrodenstapels) geschaltet werden kann. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch Schaltvorrichtungen mit mehr als zwei Schaltzuständen möglich. Ferner umfasst der Begriff Schaltvorrichtung in diesem Zusammenhang sowohl Schaltvorrichtungen, die nur einmal (in den Schaltzustand zum Entladen des Elektrodenstapels) geschaltet werden können, als auch Schaltvorrichtungen, die zwischen den Schaltzuständen für den Normalbetrieb der Energiespeicherzelle und zum Entladen des Elektrodenstapels (mehrfach) hin und her geschaltet werden können. Die Schaltvorrichtung enthält bevorzugt ein, zwei oder mehr geeignete Schaltelemente.In this context, the switching device is to be understood as any type of switching device which can be controlled in such a way that the electrical load is connected to the electrode stack so that the electrode stack discharges via the electrical consumer. The switching device is preferably controlled wirelessly (eg by radio) or is connected by means of signal lines to a control device. The switching device is preferably a switching device that can be switched between a first switching state (for the normal operating state of the energy storage cell) and a second switching state (for discharging the electrode stack). In the context of the invention, however, switching devices with more than two switching states are also possible. Furthermore, the term switching device in this context includes both switching devices that can be switched only once (in the switching state for discharging the electrode stack), as well as switching devices between the switching states for the normal operation of the energy storage cell and for discharging the electrode stack (multiply) out and can be switched. The switching device preferably includes one, two or more suitable switching elements.
Der wenigstens eine Elektrodenstapel umfasst einen, zwei oder mehr Elektrodenstapel innerhalb der Zellumhüllung. Der wenigstens eine erste Stromableiter umfasst einen, zwei oder mehr Stromableiter, wobei vorzugsweise jeder des wenigstens einen Elektrodenstapels über wenigstens einen ersten Stromableiter mit dem ersten Zellanschluss verbunden ist. Ebenso umfasst der wenigstens eine zweite Stromableiter einen, zwei oder mehr Stromableiter, wobei vorzugsweise jeder des wenigstens einen Elektrodenstapels über wenigstens einen zweiten Stromableiter mit dem zweiten Zellanschluss verbunden ist. Der wenigstens eine elektrische Verbraucher umfasst einen, zwei oder mehr elektrische Verbraucher. Die wenigstens eine Schaltvorrichtung umfasst eine, zwei oder mehr Schaltvorrichtungen.The at least one electrode stack comprises one, two or more electrode stacks within the cell envelope. The at least one first current conductor comprises one, two or more current conductors, wherein preferably each of the at least one electrode stack is connected to the first cell terminal via at least one first current conductor. Likewise, the at least one second current conductor comprises one, two or more current conductors, wherein preferably each of the at least one electrode stack is connected to the second cell terminal via at least one second current conductor. The at least one electrical load comprises one, two or more electrical loads. The at least one switching device comprises one, two or more switching devices.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Energiespeicherzelle einen dritten Zellanschluss auf, welcher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist und über den ersten oder den zweiten Stromableiter mit dem wenigstens einen Elektrodenstapel elektrisch leitend verbunden ist. Dieser dritte Zellanschluss ist in Reihe mit dem wenigstens einen elektrischen Verbraucher geschaltet. Durch diesen dritten Zellanschluss besteht eine einfache Möglichkeit, den elektrischen Verbraucher außerhalb der Zellumhüllung anzuordnen und damit auch die durch den elektrischen Verbraucher bewirkte Wärmeentwicklung außerhalb der Zellumhüllung stattfinden zu lassen. Zudem besteht die Möglichkeit, diesen dritten Zellanschluss auch für andere Zwecke zu nutzen.In a preferred embodiment of the invention, the energy storage cell has a third cell connection which is arranged at least partially outside the cell envelope and is electrically conductively connected to the at least one electrode stack via the first or the second current conductor. This third cell terminal is connected in series with the at least one electrical load. By means of this third cell connection, there is a simple possibility of arranging the electrical consumer outside the cell envelope and thus also allowing the heat development caused by the electrical consumer to take place outside the cell envelope. It is also possible to use this third cell connection for other purposes.
Die wenigstens eine Schaltvorrichtung kann wahlweise außerhalb der Zellumhüllung oder innerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein. Im Fall von mehreren Schaltvorrichtungen kann auch eine Schaltvorrichtung außerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein, während eine andere Schaltvorrichtung innerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist.The at least one switching device may optionally be arranged outside the cell envelope or within the cell envelope. In the case of multiple switching devices, one switching device may also be located outside the cell envelope, while another switching device is located inside the cell envelope.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Schaltvorrichtung derart ansteuerbar, dass der wenigstens eine Elektrodenstapel von dem ersten oder dem zweiten Zellanschluss getrennt wird (CID, current interrupt device). Auf diese Weise kann die Energiespeicherzelle außer Betrieb genommen werden und zum Beispiel innerhalb einer Energiespeichervorrichtung überbrückt werden. Neben dem internen Entladen der Energiespeicherzelle über den wenigstens einen Verbraucher kann so verhindert werden, dass die Energiespeicherzelle elektrische Energie abgibt, wodurch die Sicherheit für den Benutzer und die Umgebung weiter erhöht werden kann. Durch die Verwendung einer eigenen CID-Schaltvorrichtung in/an der Energiespeicherzelle kann auf separate Überbrückungsschaltungen außerhalb der Energiespeicherzellen in der Batterieanordnung verzichtet werden.In a preferred embodiment of the invention, the at least one switching device can be controlled in such a way that the at least one electrode stack is disconnected from the first or the second cell connection (CID, current interrupt device). In this way, the energy storage cell can be taken out of service and be bridged, for example, within an energy storage device. In addition to the internal discharge of the energy storage cell via the at least one consumer can be prevented so that the energy storage cell emits electrical energy, whereby the security for the user and the environment can be further increased. By using a separate CID switching device in / on the energy storage cell can be dispensed with separate bypass circuits outside the energy storage cells in the battery assembly.
Die wenigstens eine Schaltvorrichtung kann eine Schaltvorrichtung zum Einschalten der Entladefunktion und eine weitere Schaltvorrichtung zum Trennen des einen Zellanschlusses oder eine Schaltvorrichtung sowohl zum Einschalten der Entladefunktion als auch zum Trennen des einen Zellanschlusses aufweisen. Das Trennen des einen Zellanschlusses von dem Elektrodenstapel kann je nach Ausgestaltung der Schaltvorrichtung wahlweise zusammen mit dem Einschalten der Entladefunktion oder separat davon erfolgen.The at least one switching device may have a switching device for switching on the discharge function and a further switching device for separating the one cell connection or a switching device both for switching on the discharging function and for disconnecting the one cell connection. The separation of the one Depending on the configuration of the switching device, cell connection of the electrode stack can optionally be carried out together with switching on the discharge function or separately therefrom.
Der wenigstens eine elektrische Verbraucher kann wahlweise wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung oder innerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein. Im Fall von mehreren elektrischen Verbrauchern kann auch ein elektrischer Verbraucher wenigstens teilweise außerhalb der Zellumhüllung angeordnet sein, während ein anderer elektrischer Verbraucher innerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist.The at least one electrical load may optionally be located at least partially outside the cell envelope or within the cell envelope. In the case of multiple electrical loads, an electrical load may also be disposed at least partially outside the cell enclosure, while another electrical load may be located within the cell enclosure.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine elektrische Verbraucher mit einer Kühlvorrichtung verbunden. Diese Kühlvorrichtung ist bevorzugt eine Kühlvorrichtung der Energiespeicherzelle, besonders bevorzugt eine ohnehin vorhandene Kühlvorrichtung der Energiespeicherzelle. Die Kühlvorrichtung soll insbesondere eine Erwärmung oder Überhitzung der Energiespeicherzelle beschränken bzw. verhindern.In a preferred embodiment of the invention, the at least one electrical load is connected to a cooling device. This cooling device is preferably a cooling device of the energy storage cell, particularly preferably an already existing cooling device of the energy storage cell. The cooling device should in particular limit or prevent heating or overheating of the energy storage cell.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Energiespeicherzelle wenigstens eine Messvorrichtung zum Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters der Energiespeicherzelle auf, welche innerhalb der Zellumhüllung angeordnet ist, wobei die Messsignale dieser wenigstens einen Messvorrichtung an dem dritten Zellanschluss und ggf. dem ersten oder zweiten Zellanschluss anliegen. Sofern die Entladefunktion der Energiespeicherzelle über den wenigstens einen Verbraucher durch die wenigstens eine Schaltvorrichtung nicht aktiviert ist, können so auf einfache Weise die Messsignale der Messvorrichtung an dem dritten Zellanschluss oder über dem dritten und dem ersten/zweiten Zellanschluss abgegriffen werden. Ein weiterer Messanschluss kann vorzugsweise entfallen. Bei dem wenigstens einen Betriebsparameter der Energiespeicherzelle handelt es sich bevorzugt um eine Temperatur innerhalb der Energiespeicherzelle, um einen Ladezustand der Energiespeicherzelle, um einen Druck innerhalb der Energiespeicherzelle, um eine Temperatur des elektrischen Verbrauchers und dergleichen.In a further preferred embodiment of the invention, the energy storage cell has at least one measuring device for detecting at least one operating parameter of the energy storage cell, which is arranged within the cell envelope, wherein the measurement signals of these at least one measuring device are applied to the third cell connection and possibly the first or second cell connection. If the discharging function of the energy storage cell via the at least one consumer is not activated by the at least one switching device, the measuring signals of the measuring device can be tapped in a simple manner at the third cell connection or via the third and the first / second cell connection. Another measuring connection can preferably be omitted. The at least one operating parameter of the energy storage cell is preferably a temperature within the energy storage cell, a state of charge of the energy storage cell, a pressure within the energy storage cell, a temperature of the electrical consumer and the like.
Im Rahmen der Erfindung kann innerhalb der Zellumhüllung auch eine Messvorrichtung zum Erfassen wenigstens eines Betriebsparameters vorgesehen sein, wenn kein dritter Zellanschluss vorhanden ist. In diesem Fall erfolgt die Übertragung der Signale der Messvorrichtung vorzugsweise drahtlos (z. B. per Funk).Within the scope of the invention, a measuring device for detecting at least one operating parameter can also be provided within the cell envelope if no third cell connection is present. In this case, the transmission of the signals of the measuring device preferably takes place wirelessly (eg by radio).
Die Energiespeicherzelle der vorliegenden Erfindung ist in vorteilhafter Weise in einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen einsetzbar. Die Energiespeicherzelle weist dann vorzugsweise eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen der Energiespeicherzellen auf.The energy storage cell of the present invention is advantageously used in an energy storage device, in particular an electrochemical energy storage device having a plurality of energy storage cells. The energy storage cell then preferably has a control device for driving the switching devices of the energy storage cells.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist den Energiespeicherzellen jeweils eine Überbrückungseinrichtung zum Überbrücken der jeweiligen Energiespeicherzelle zugeordnet, insbesondere parallel geschaltet.In a preferred embodiment of the invention, the energy storage cells are each assigned a bridging device for bridging the respective energy storage cell, in particular connected in parallel.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Energiespeichervorrichtung eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen eines Ladezustandes und/oder eines Gefährdungszustandes der Energiespeicherzellen auf. Diese Anzeigevorrichtung ist vorzugsweise mit der Steuereinrichtung der Energiespeicherzelle gekoppelt. Über die Anzeigevorrichtung können einem Benutzer vorzugsweise die Zustände „sicher”, „unsicher” und „potenziell unsicher” mitgeteilt werden. Die Anzeigevorrichtung umfasst in diesem Zusammenhang optische und/oder akustische Anzeigevorrichtungen.In a further preferred embodiment of the invention, the energy storage device has a display device for displaying a charge state and / or a hazardous state of the energy storage cells. This display device is preferably coupled to the control device of the energy storage cell. Via the display device, the user can preferably be informed of the states "safe", "insecure" and "potentially insecure". The display device in this context includes optical and / or acoustic display devices.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle bzw. Energiespeichervorrichtung wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb eingesetzt. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von Kraftfahrzeugantrieben beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung aber auch unabhängig von der Bauart der Batterie oder unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Verwendung finden kann.The energy storage cell or energy storage device according to the invention is preferably used in a motor vehicle with an electric drive or a hybrid drive. The invention will be described in connection with lithium-ion batteries for the supply of motor vehicle drives. It should be noted, however, that the invention can also be used regardless of the type of battery or regardless of the type of powered drive.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigen:The above and other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments in conjunction with the figures. Show:
Die Energiespeicherzelle
Wie in
Im Normalbetrieb der Energiespeicherzelle
Soll die Energiespeicherzelle
Soll die Energiespeicherzelle
Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel enthält die Energiespeicherzelle
Bei der Kühlvorrichtung
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle
Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Schaltvorrichtung
Die Schaltvorrichtung
Mit dieser Schaltvorrichtung
Die in
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle
Im Vergleich zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind bei der Energiespeicherzelle
Zu diesem Zweck weist die Energiespeicherzelle
Auch bei dieser Konstellation ist der Verbraucher
Die Anordnung des elektrischen Verbrauchers
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Verbraucher
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle
Obwohl nicht dargestellt, kann in einer alternativen Ausführungsform der dritte Anschluss
Im Vergleich zu dem in
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle
Obwohl nicht dargestellt, kann in einer alternativen Ausführungsform auch der Verbraucher
Das sechste Ausführungsbeispiel basiert auf einer Kombination des fünften Ausführungsbeispiels von
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle
Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel von
Grundsätzlich kann eine solche Messvorrichtung
Die übrigen Komponenten und Funktionsweisen dieser Energiespeicherzelle
Obwohl nicht dargestellt, können die Signalleitungen
Als weitere Ausführungsformen kann die Messvorrichtung
Anhand von
Insbesondere falls die Energiespeicherzellen
Die Energiespeichervorrichtung von
Ferner ist die Steuereinrichtung
Im Fall einer (möglicherweise) defekten Energiespeichervorrichtung oder zu Wartungs- oder Reparaturzwecken wird über die Steuereinrichtung
Außerdem ist es möglich, mithilfe der internen Entladekreise
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