本發(fā)明涉及一種用于鋰離子蓄電池的電池繞組,所述電池繞組具有至少兩個(gè)以節(jié)約空間的方式被纏繞的并且彼此熱耦合的子電池。
背景技術(shù):
呈現(xiàn)出:在未來,不僅在靜態(tài)的應(yīng)用中、例如在風(fēng)力發(fā)電裝置中,而且在被設(shè)計(jì)為混合動(dòng)力車輛或者電動(dòng)車輛的機(jī)動(dòng)車中,以及在電氣設(shè)備中將新的電池組系統(tǒng)或者蓄電池系統(tǒng)投入使用,在可靠性、安全性、效率和壽命方面對(duì)所述電池組系統(tǒng)或蓄電池系統(tǒng)提出非常高的要求。
尤其是鋰離子蓄電池由于其大的能量密度而被用作用于電驅(qū)動(dòng)的機(jī)動(dòng)車的蓄能器。
在DE 10 2011 017 613 A1中公開了一種用于鋰離子蓄電池的電池繞組。該電池繞組包括兩個(gè)導(dǎo)電體,所述導(dǎo)電體在兩個(gè)隔離器的中間層的情況下被卷繞成電池繞組。
從DE 10 2011 110 876 A1公知一種蓄能設(shè)備。該蓄能設(shè)備尤其包括:例如以電極繞組的形式的蓄能電池和用于容納蓄能電池的容器。為了可靠地確保蓄能電池的功能,在電極繞組與容器壁之間設(shè)置有導(dǎo)熱層,通過所述導(dǎo)熱層可以將熱從蓄能電池在容器壁的方向上導(dǎo)出。在一種優(yōu)選的構(gòu)建方案中規(guī)定:導(dǎo)熱層具有由電絕緣材料構(gòu)成的子層。一方面,該子層確保所釋放的熱可以良好地從電池流出,另一方面,該子層阻止了電池的外側(cè)與容器壁電接觸。此外,該子層還確保:在外來物體一點(diǎn)一點(diǎn)地從外部侵入時(shí)避免在各個(gè)電極之間的短路。
尤其不利的是:用于在故障情況下、尤其是在電池的內(nèi)部短路或者諸如此類的情況下進(jìn)行損害限制的蓄能電池不具有能夠選擇性地切斷的單個(gè)電池。
在鋰離子蓄電池中出現(xiàn)內(nèi)部短路的概率例如可以通過在生產(chǎn)期間被提高的質(zhì)量措施來減小。然而,在這種情況下,在正當(dāng)?shù)某杀竞馁M(fèi)的情況下不能連續(xù)地檢測(cè)并且消除所有的故障部位。此外,可能的是:將鋰離子蓄電池構(gòu)建得更加機(jī)械穩(wěn)健,使得外部影響、尤其是機(jī)械的和熱的外部影響不能那么輕易地引起內(nèi)部短路。為了此目而通常所需要的更高的材料強(qiáng)度以及附加的機(jī)械保護(hù)組件同樣起提高成本的作用,而且此外還降低了活性材料占總重量的體積份額和重量份額并且隨之而來降低了蓄電池的電能量密度。此外,可以通過選擇其他的用于電涂層的活性材料和/或在電極上采用較少的活性材料來積極地影響鋰離子蓄電池的短路傾向。但是,在這種情況下也降低了鋰離子蓄電池的供支配的容量。
因而,本發(fā)明的任務(wù)是說明一種鋰離子蓄電池,在所述鋰離子蓄電池中在內(nèi)部短路的情況下以及在用于損害限制所必需的快速放電的情況下的熱負(fù)載被減小。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
按照本發(fā)明,所述至少兩個(gè)子電池在正常運(yùn)行中被電并聯(lián),而在故障情況下、尤其是在至少一個(gè)損壞的子電池中的內(nèi)部短路的情況下,能夠?qū)⒅辽僖粋€(gè)損壞的子電池與至少一個(gè)完好的子電池電分離。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
基于所述電池繞組的按照本發(fā)明的構(gòu)建方案,在子電池的(例如由于被探測(cè)到的故障)必要的快速放電的情況下、同樣以及在(例如由于子電池中的內(nèi)部的電池短路或者諸如此類的)不受控制的放電的情況下,所述至少一個(gè)剩余的完好的子電池可以快速地被電分離。完好的子電池充當(dāng)用于在快速放電時(shí)釋放的歐姆損耗熱的散熱器,而且有助于損害限制。此外,鋰離子蓄電池的全部電流導(dǎo)出能力(Stromableitf?higkeit)供所述損壞的子電池支配,使得根據(jù)所述鋰離子蓄電池的電氣設(shè)計(jì)方案,更高的放電電流率是可能的。此外,必要時(shí)可以將損壞的子電池有針對(duì)性地與其余的還完好的子電池分離。有故障的子電池與其余的還能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的子電池的電分離借助于適當(dāng)?shù)目刂坪?或調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn),所述控制和/或調(diào)節(jié)裝置優(yōu)選地是電子監(jiān)控設(shè)備或者諸如此類,所述電子監(jiān)控設(shè)備被構(gòu)造用于鋰離子蓄電池的損壞的子電池的快速并且有針對(duì)性的電分離。為了電流隔斷,所述分離本身例如可以借助于繼電器以機(jī)電的方式實(shí)現(xiàn)或者在沒有電勢(shì)隔斷的情況下借助于功率半導(dǎo)體以電子的方式實(shí)現(xiàn)。用于在鋰離子蓄電池中使用的電池繞組原則上可以具有多于兩個(gè)被卷繞的子電池。
在此,在故障情況下的熱釋放限于非臨界的熱量,并且尤其是阻止如下連鎖反應(yīng),在所述連鎖反應(yīng)的情況下通過所釋放的熱可能觸發(fā)另外的內(nèi)部短路和其它的放熱反應(yīng)。
在本發(fā)明所基于的思想的另一有利的構(gòu)建方案中,每個(gè)子電池都具有至少局部地涂有第一活性材料的陰極和至少局部地涂有第二活性材料的陽(yáng)極,而且隔離層延伸在第一活性材料與第二活性材料之間。因此,電池繞組具有多個(gè)陽(yáng)極和多個(gè)陰極。由此,每個(gè)子電池本身來看是用來構(gòu)造鋰離子蓄電池的獨(dú)立的電化學(xué)元件。
在按照本發(fā)明所提出的解決方案的另一有利的構(gòu)建方案中,至少一個(gè)子電池的陰極和/或陽(yáng)極配備有絕緣層,所述絕緣層使所述子電池彼此電絕緣。由此可靠地阻止在被纏繞的狀態(tài)中的幅面狀(bahnf?rmig)的子電池之間的內(nèi)部短路。
在一種實(shí)施方式的情況下,為了構(gòu)造所述電池繞組的棱柱形狀,所述至少兩個(gè)子電池基本上回形地被卷繞。由此給出:將所述電池繞組盡可能無(wú)空腔地并且因此節(jié)約空間地集成到鋰離子蓄電池的長(zhǎng)方體形的外殼形狀中。
在另一種實(shí)施方式的情況下,為了構(gòu)造電池繞組的圓柱形狀,所述至少兩個(gè)子電池基本上螺旋形地被卷繞。由此得到電池繞組的可替換的形狀來實(shí)現(xiàn)具有其它外殼形狀的鋰離子蓄電池。
在另一種有利的構(gòu)建方案中,電池繞組具有內(nèi)部繞組和包圍該內(nèi)部繞組的外部繞組,其中所述內(nèi)部繞組和所述外部繞組分別利用被卷繞的子電池來構(gòu)成。由此,為了卷繞鋰離子蓄電池而已經(jīng)存在的生產(chǎn)裝置可以在沒有較大的更改的情況下被用于制造按照本發(fā)明的電池繞組。
在另一種實(shí)施方式的情況下,至少一個(gè)另外的、包含另一子電池的外部繞組被纏繞到所述外部繞組上。由此,容量提高在電池繞組的該實(shí)施方式的情況下是可能的。
在技術(shù)上有益的改進(jìn)方案的情況下,在內(nèi)部繞組與外部繞組之間和/或在所述至少兩個(gè)外部繞組之間分別設(shè)置有電絕緣的隔斷層。由此除了子電池的絕緣層之外給出內(nèi)部繞組與外部繞組之間的可靠的電絕緣。
隔斷層可具有相對(duì)機(jī)械損傷以及熱損傷而被提高的穩(wěn)健性。同樣,隔斷層可具有比隔離層更小的導(dǎo)熱能力。由此,損壞擴(kuò)散到相鄰的子電池上的概率被最小化。如果僅在所述子電池之間設(shè)置有隔斷層,那么由于附加的穩(wěn)健性而被提高的成本和空間需求被最小化。
在所述發(fā)明思想的延續(xù)中,每個(gè)子電池在被放開的狀態(tài)中都具有基本上幅面狀的帶有寬度B的外形。由此,電池繞組可以在制造技術(shù)上簡(jiǎn)單地通過纏繞優(yōu)選地作為幅面狀的半成品而存在的子電池來實(shí)現(xiàn),所述子電池分別包括陽(yáng)極、陰極以及隔離層。
為了制造具有內(nèi)部繞組和外部繞組的電池繞組,首選由半成品卷繞成內(nèi)部繞組。之后,該半成品被切開,而且隔斷層被施加到內(nèi)部繞組上。緊接著,該半成品進(jìn)一步被卷繞成外部繞組。由此,對(duì)用于制造傳統(tǒng)的電池繞組的存在的制造設(shè)施和已知的制造工序的所必需的改變被最小化。
有利地,每個(gè)子電池的陰極和陽(yáng)極為了電接觸而優(yōu)選地以相對(duì)的方式具有至少一個(gè)陰極凸起部和陽(yáng)極凸起部,其中所述至少一個(gè)陰極凸起部和所述至少一個(gè)陽(yáng)極凸起部以分別橫向于子電池的長(zhǎng)軸地分別超出了子電池的兩個(gè)長(zhǎng)邊中的一個(gè)長(zhǎng)邊一個(gè)寬度b的方式突出。由此,所述陰極和陽(yáng)極凸起部能夠在制造技術(shù)上被構(gòu)造為陰極或者陽(yáng)極的雙面的梯形的突起。
在進(jìn)一步深入所述發(fā)明思想的情況下,至少兩個(gè)陰極凸起部以及至少兩個(gè)陽(yáng)極凸起部以彼此在軸向上偏移間距L的方式被構(gòu)造在子電池的每個(gè)長(zhǎng)邊處。由此,為了確保電接觸的足夠高的載流能力,大量重疊的陰極或者陽(yáng)極凸起部是可支配的。在此,不同的子電池的陰極凸起部和陽(yáng)極凸起部彼此被電隔斷。
按照一種有益的構(gòu)建方案規(guī)定:間距L分別發(fā)生變化,使得在每個(gè)子電池的被纏繞的狀態(tài)中,屬于同一子電池的陰極凸起部和陽(yáng)極凸起部基本上疊合地重疊來分別提供陰極接觸部和陽(yáng)極接觸部。由此,尤其可以在纏繞所述子電池時(shí)補(bǔ)償電池繞組的增加的半徑。
附圖說明
隨后依據(jù)附圖來更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
圖1示出通過具有絕緣層的子電池的示意性橫截面,
圖2示出具有兩個(gè)子電池以及一個(gè)監(jiān)控裝置的電池繞組的一種實(shí)施方式的原理圖,
圖3示出具有棱柱形的造型的電池繞組的一種實(shí)施方式,
圖4示出具有圓柱形的造型的電池繞組的一種實(shí)施方式,
圖5示出具有內(nèi)部繞組和同軸地包圍該內(nèi)部繞組的外部繞組的電池繞組的一種實(shí)施方式,
圖6示出具有用于電連接的陰極凸起部和陽(yáng)極凸起部的兩個(gè)展開的重疊的幅面狀的子電池的示意性俯視圖,
圖7示出具有兩個(gè)子電池的電池繞組的原理俯視圖,以及
圖8示出具有四個(gè)子電池的電池繞組的一種實(shí)施方式的原理俯視圖。
具體實(shí)施方式
圖1示出子電池10的示意性橫截面,所述子電池10用于在按照本發(fā)明的用于在附圖中未被示出的鋰離子蓄電池的電池繞組30、40、50、60、100、200中使用。
子電池10包括:陰極12,所述陰極12配備有第一電化學(xué)活性材料14;和陽(yáng)極16,所述陽(yáng)極16至少局部地涂有第二電化學(xué)活性材料18。所述兩個(gè)、在子電池10的展開的或者未被卷起的狀態(tài)中平行地相疊地延伸的活性材料14、18被由微孔的聚乙烯和/或聚丙烯構(gòu)成的隔離層20彼此隔斷。陰極12以及陽(yáng)極16分別構(gòu)成用于到子電池10的電流輸送的第一和第二導(dǎo)電體22、24。這里,陰極12示范性地配備有絕緣層26,以便在纏繞子電池10時(shí)避免電池間短路。但是,絕緣層26也可以被設(shè)置在陽(yáng)極16的區(qū)域中以及被設(shè)置在陰極12和陽(yáng)極16的區(qū)域中。在這種情況下,絕緣層26可以被實(shí)施為子電池10的固定的組成部分或者被安放到由具有第一活性材料14的陰極12、隔離層20和具有第二活性材料18的陽(yáng)極16構(gòu)成的層構(gòu)造上。所述活性材料14、18可具有在物質(zhì)上相同或者不同的材料組分,而利用鋁來構(gòu)成陰極12并且利用銅來構(gòu)成陽(yáng)極16。這里展開的幅面狀的子電池10優(yōu)選地被暫時(shí)提供作為“無(wú)限的”、以卷材形狀存在的半成品,而且能夠以簡(jiǎn)單的方式通過纏繞或者卷起被加工成具有各不相同的幾何外形的電池繞組30、40、50、60、100、200。
原則上,子電池10可以以幾乎任意的數(shù)目相疊地被堆疊來提供包括多個(gè)子電池10的構(gòu)造,所述子電池10的層構(gòu)造分別對(duì)應(yīng)于上面所描述的子電池10的構(gòu)造。
圖2示出具有兩個(gè)子電池10、32以及具有一個(gè)監(jiān)控裝置36的電池繞組30的原理圖。
利用圖1的子電池10以及利用另一同樣地被構(gòu)造的子電池32來構(gòu)成電池繞組30,其中在重疊的子電池10、32之間存在緊密的熱耦合34。所述兩個(gè)子電池10、32在電池繞組30的“正常運(yùn)行”中電并聯(lián)。在“故障情況”(諸如在所述兩個(gè)子電池10、32之一中的短路)下,所述兩個(gè)子電池10、32可以借助于優(yōu)選地電子的監(jiān)控裝置36被電隔斷。所述電隔斷例如可以利用被構(gòu)造為斷開器的開關(guān)38來實(shí)現(xiàn),所述開關(guān)38能夠借助于監(jiān)控裝置36操控。開關(guān)38可以利用機(jī)電的繼電器或者利用適當(dāng)?shù)墓β拾雽?dǎo)體來實(shí)現(xiàn),其中在后者的情況下,子電池10、32的電流的或者無(wú)電勢(shì)的隔斷是不可能的。
圖3示出具有棱柱形的造型的電池繞組40的一種實(shí)施方式。
為了構(gòu)造棱柱形狀,電池繞組40利用重疊的第一和第二子電池42、44來構(gòu)成,所述子電池42、44幾乎回形地被交錯(cuò)地卷繞。子電池42、44的結(jié)構(gòu)性構(gòu)造分別對(duì)應(yīng)于在圖1中所描述的子電池10。棱柱形的電池繞組40優(yōu)選地被設(shè)置用于具有長(zhǎng)方體形的或者正方體形的外殼的鋰離子蓄電池。與這里僅僅示范性地示出的兩個(gè)子電池42、44不同,電池繞組40也可以具有三個(gè)或者更多子電池10、42、44。按照本發(fā)明,所述電池繞組40的兩個(gè)子電池42、44借助于圖2的監(jiān)控裝置36能夠彼此被電隔斷。
在電池繞組40的“正常運(yùn)行”中,所述兩個(gè)子電池42、44并聯(lián),以便尤其是確保均勻的充電。在電池繞組40的例如在子電池中的內(nèi)部短路的情況下存在的“故障情況”下,借助于監(jiān)控裝置36將損壞的子電池42立即與還完好的子電池44電隔斷。所述電分離或者切斷借助于在圖2中示意性示出的、優(yōu)選地電子的監(jiān)控裝置36、借助于繼電器或者借助于適當(dāng)?shù)墓β拾雽?dǎo)體來實(shí)現(xiàn)。通過迅速實(shí)現(xiàn)的電分離,完好的子電池44附加地充當(dāng)用于歐姆損耗熱的散熱器,所述歐姆損耗熱在損壞的子電池42的在短路情況下一般為了損害限制而被引入的快速放電中被釋放,其中對(duì)于快速放電過程來說電池繞組40的全部載流能力同時(shí)能夠被充分利用,使得快速放電時(shí)間的縮短是能夠?qū)崿F(xiàn)的。
圖4圖解具有圓柱形的造型的電池繞組50的另一種實(shí)施方式。
為了構(gòu)造圓柱形狀,利用兩個(gè)重疊的并且近似螺旋形地被纏繞的子電池52、54來構(gòu)成電池繞組50,所述子電池52、54的結(jié)構(gòu)性構(gòu)造又分別依照已經(jīng)在圖1中解釋的子電池10。電池繞組50首先適合于鋰離子蓄電池,所述鋰離子蓄電池的外殼具有與長(zhǎng)方體不同的、沒有角的造型。與這里僅僅示范性的第一和第二子電池52、54不同,電池繞組50也可以具有三個(gè)或者更多子電池10、52、54。
圖5圖解具有內(nèi)部繞組62和同軸地包圍該內(nèi)部繞組62的外部繞組64的電池繞組60的另一種實(shí)施方式。
利用內(nèi)部繞組62和同軸地包圍該內(nèi)部繞組62的外部繞組64來構(gòu)成電池繞組60,其中在內(nèi)部繞組62與外部繞組64之間設(shè)置有電絕緣的隔斷層66。利用被纏繞的第一子電池68來構(gòu)成內(nèi)部繞組62,而利用被卷起的第二子電池70來構(gòu)成外部繞組64。在內(nèi)部繞組62中以及在外部繞組64中,被卷起的子電池68、70分別彼此重疊或者彼此緊貼。
尤其是除了外部的第二子電池70的絕緣層72之外,隔斷層66充當(dāng)在內(nèi)部繞組62與外部繞組64之間的附加的電絕緣。至少一個(gè)另外的外部繞組64可以在需要的情況下在另一隔斷層66的中間連接的情況下被纏繞到所示出的外部繞組64上。
圖6圖解具有用于電連接的陰極凸起部K11、K12、K21、K22和陽(yáng)極凸起部A11、A12、A21、A22的兩個(gè)展開的、重疊的幅面狀的子電池80、82的示意性俯視圖。
所述兩個(gè)展開的、重疊的幅面狀的或者條狀的子電池80、82關(guān)于其這里共同的長(zhǎng)軸84分別具有寬度B。所述兩個(gè)子電池80、82的層構(gòu)造又與已經(jīng)在圖1中解釋的子電池10的結(jié)構(gòu)性造型相對(duì)應(yīng)。
在這里示例性地,兩個(gè)例如梯形的陰極凸起部K11和K12——作為第一子電池80的(這里為了更好的繪圖概覽未進(jìn)一步示出的)金屬陰極12的或者第一導(dǎo)電體22的完整組成部分——分別橫向于長(zhǎng)軸84地被構(gòu)造在第一子電池80的第一長(zhǎng)邊86處。相應(yīng)地,兩個(gè)陽(yáng)極凸起部A11和A12分別與陰極凸起部K11和K12相對(duì)地或者關(guān)于長(zhǎng)軸84鏡像地被構(gòu)造在第一子電池80的第二長(zhǎng)邊88處。陰極凸起部K11和K12以及陽(yáng)極凸起部A11和A12以分別橫向于長(zhǎng)軸84地超出了第一子電池80的長(zhǎng)邊86、88一個(gè)寬度b的方式突出。在陰極凸起部K11和K12之間以及在陽(yáng)極凸起部A11和A12之間分別關(guān)于其在軸向上的中心存在L1的軸向間距。第一子電池80擁有大量這里未示出的對(duì)應(yīng)于陰極凸起部K11、K12和陽(yáng)極凸起部A11、A12被構(gòu)造的陰極凸起部K11、K12和陽(yáng)極凸起部A11、A12,所述陰極凸起部K11、K12和陽(yáng)極凸起部A11、A12的間距L1分別發(fā)生變化,使得在第一子電池80的被纏繞的狀態(tài)中,為了提供用于電池繞組100、200的電接觸的或者用于電池繞組100、200的連接的、足夠機(jī)械穩(wěn)定的并且有載流能力的陰極接觸部102和陽(yáng)極接觸部(參見圖7、8),所述陰極凸起部K11、K12和陽(yáng)極凸起部A11、A12在理想情況下在四周(umfangsseitig)分別疊合地重疊。
相應(yīng)地,大量相應(yīng)地被構(gòu)建的陰極凸起部K21、K22和陽(yáng)極凸起部A21、A22被構(gòu)造在第二子電池82的兩個(gè)長(zhǎng)邊90、92處,在所述大量陰極凸起部和陽(yáng)極凸起部中利用虛線來表示分別僅僅兩個(gè)陰極凸起部K21、K22和陽(yáng)極凸起部A21、A22來代表所有其余的陰極凸起部和陽(yáng)極凸起部。在陰極凸起部K21、K22之間以及在陽(yáng)極凸起部A21、A22之間存在L2的間距。在所述各個(gè)陰極凸起部K21、K22和陽(yáng)極凸起部A11、A12之間的間距L2沿著第二子電池82的長(zhǎng)度伸展而變化、尤其是根據(jù)所應(yīng)用的、例如螺旋形的或者扁桃形的繞組幾何結(jié)構(gòu)而變化,使得在第二子電池82的被纏繞的狀態(tài)中,陰極凸起部K21、K22和陽(yáng)極凸起部A21、A22在理想情況下又疊合地相互重疊或者相互緊貼。
圖7示出具有兩個(gè)能夠借助于監(jiān)控裝置36彼此電隔斷的子電池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的棱柱形的電池繞組100的大大簡(jiǎn)化的俯視圖。
示例性地又是棱柱形的電池繞組100在兩側(cè)都具有大量沒有單個(gè)地標(biāo)明的陰極凸起部K11、K12、K21、K22和陽(yáng)極凸起部A11、A12、A21、A22,所述陰極凸起部K11、K12、K21、K22和陽(yáng)極凸起部A11、A12、A21、A22共同構(gòu)成兩個(gè)這里可見的在上側(cè)的陰極接觸部102、104,而兩個(gè)在下面的陽(yáng)極接觸部在圖6的圖示中是不可見的。通過總計(jì)四個(gè)陰極接觸部102、104和陽(yáng)極接觸部來實(shí)現(xiàn)電池繞組100的第一和第二子電池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的電氣的彼此無(wú)關(guān)的連接或者操控,其中所述子電池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82借助于自動(dòng)的監(jiān)控裝置36在電池繞組100的“正常運(yùn)行”中持久地自動(dòng)地被監(jiān)控,而且在“故障情況”下借助于所述監(jiān)控裝置36能夠立即彼此被電隔斷。
圖8示出具有四個(gè)子電池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的電池繞組200的一種實(shí)施方式的原理俯視圖。
這里,示范性地利用四個(gè)子電池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82來構(gòu)造電池繞組200,所述四個(gè)子電池10、32、42、44、52、54、68、70、80、82的陰極凸起部K11、K12、K21、K22和陽(yáng)極凸起部A11、A12、A21、A22被聯(lián)合成四個(gè)這里可見的、在上側(cè)的陰極接觸部202、204、206和208,而四個(gè)在下側(cè)的陽(yáng)極接觸部這里又被覆蓋或者是不可見的。