DE102017218906A1

DE102017218906A1 - Elektrisches Überbrückungselement, elektrischer Energiespeicher und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102017218906A1
Application number: DE102017218906.1A
Authority: DE
Inventors: Eduard Reimer; Thomas Dittert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Überbrückungselement (1, 101) aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (2, 6), eine Lotschicht (3) und eine elektrisch isolierende Isolierschicht (4, 104), die die elektrischen Leiter (2, 6) elektrisch voneinander isoliert, wobei die Isolierschicht (4, 104) zumindest eine Ausnehmung (5, 105), aufweisend einen ersten und einen zweiten Ausnehmungsabschnitt (5a, 5b, 105a, 105b) aufweist, wobei die Isolierschicht (4) und die Lotschicht (3) derart gestapelt zwischen den elektrischen Leitern (2, 6) angeordnet sind, dass bei einem Schmelzen der Lotschicht (3) das Lotmaterial durch den ersten Ausnehmungsabschnitt (5a, 105a) strömt, wobei ein Gas in den zweiten Ausnehmungsabschnitt (5b, 105b) verdrängt wird und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (2, 6) hergestellt wird.

Description

Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Überbrückungselement, einen elektrischen Energiespeicher und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
EP 2 642 582 B1 zeigt ein elektrisches Überbrückungselement, insbesondere zur Überbrückung von defekten Speicherzellen eines Energiespeichers. Dabei ist zwischen zwei elektrischen Leitern eine Schichtfolge mit einer elektrischen Isolationsschicht und einem reaktiven Schichtstapel angeordnet, der mittels einer exothermen Reaktion die Isolationsschicht auflösen und somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern herstellen kann.
US 2014/0210110 A1 zeigt ein Verfahren zum Verbinden von mikroelektronischen Komponenten mittels einer Reaktionsfolie und Lot.
US 6 623 283 B1 zeigt ein oberflächenmontiertes Bauteil einer Leiterplatte mit einer Unterseite, die Kanäle zur Verbesserung der Lotverbindung mit der Leiterplatte aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Überbrückungselement aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter, eine Lotschicht und eine elektrisch isolierende Isolierschicht, die die elektrischen Leiter elektrisch voneinander isoliert, wobei die Isolierschicht zumindest eine Ausnehmung, aufweisend einen ersten und einen zweiten Ausnehmungsabschnitt aufweist, wobei die Isolierschicht und die Lotschicht in axialer Richtung derart gestapelt zwischen den elektrischen Leitern angeordnet sind, dass bei einem Schmelzen der Lotschicht das Lotmaterial durch den ersten Ausnehmungsabschnitt strömt, wobei ein Gas in den zweiten Ausnehmungsabschnitt verdrängt wird und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern hergestellt wird.
Hintergrund der Erfindung ist die Bereitstellung eines zuverlässigen Überbrückungselementes. Mittels des zweiten Ausnehmungsabschnitts ist in der Ausnehmung befindliche Luft oder Schutzgas aus der Ausnehmung evakuierbar. Dadurch ist die Kontaktfläche zwischen dem geschmolzenen Lotmaterial und den elektrischen Leitern vergrößert, da der erste Ausnehmungsabschnitt nahezu vollständig mit Lotmaterial befüllbar ist. Weiter vorteilhaft ist die Porosität des Lotmaterials in dem ersten Ausnehmungsabschnitt reduzierbar.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafterweise sind der erste und zweite Ausnehmungsabschnitt miteinander verbunden. Dadurch kann Gas vom ersten Ausnehmungsabschnitt in den zweiten Ausnehmungsabschnitt strömen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Ausnehmungsabschnitt in einer ersten Querrichtung zur axialen Richtung breiter als der zweite Ausnehmungsabschnitt. Von Vorteil ist dabei, dass das Lot in axialer Richtung, insbesondere in Gravitationsrichtung, durch den ersten Ausnehmungsabschnitt zu dem elektrischen Leiter strömt und das Gas quer zur axialen Richtung aus dem elektrischen Überbrückungselement hinaus strömt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der erste Ausnehmungsabschnitt in axialer Richtung weiter als der zweite Ausnehmungsabschnitt. Dabei erstreckt sich der erste Ausnehmungsabschnitt in axialer Richtung durch die Isolierschicht hindurch, wobei der zweite Ausnehmungsabschnitt sich in Querrichtung zu einer Seitenfläche der Isolierschicht erstreckt.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn eine Ausdehnung der Ausnehmung in axialer Richtung sich in einer zweiten Querrichtung stufenartig verbreitert. Dadurch sind der erste und zweite Ausnehmungsabschnitt der Ausnehmung in einfacher Art und Weise fertigbar als erste und zweite Stufe der Ausnehmung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das elektrische Überbrückungsmittel eine Spannvorrichtung, insbesondere ein Federelement, auf, das eingerichtet ist, eine Druckkraft in axialer Richtung auf die elektrischen Leiter auszuüben. Von Vorteil ist dabei, dass das geschmolzene Lotmaterial mittels der Druckkraft in die Ausnehmung gedrückt wird und das Gas in der Ausnehmung aus dem elektrischen Überbrückungselement herausgedrückt wird.
Vorteilhafterweise ist der auf die elektrischen Leiter wirkende Druck inhomogen, wobei die Ausnehmung von Bereichen mit erhöhtem Druck beabstandet ist. Dadurch wird das Lotmaterial aus den Bereichen mit erhöhtem Druck in die Ausnehmung gedrückt. Vorteilhafterweise wird dabei ein Verschließen der Ausnehmung durch eine Verformung der Isolierschicht vermieden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Isolierschicht als eine elektrisch isolierende Reaktionsfolie ausgeführt, die mittels eines Aktivierungselements aktivierbar ist, um eine exotherme Reaktion zum Aufschmelzen der Lotschicht auszulösen, insbesondere wobei das Aktivierungselement als elektrisches und/oder thermisches Aktivierungselement und/oder als Lichtquelle ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Überbrückungselement von extern mittels des Aktivierungselementes ansteuerbar ist. Dadurch ist eine gezielte Auslösung des Überbrückungselementes ermöglicht. Vorteilhafterweise ist die Reaktionsfolie zwischen den elektrischen Leitern angeordnet, so dass das elektrische Überbrückungselement kompakt ausführbar ist.
Vorteilhafterweise weist das Aktivierungselement eine Spannungsquelle, ein Kontaktierungsmittel und ein Schaltelement auf, wobei ein erster Anschluss der Spannungsquelle mit einem der elektrischen Leiter elektrisch leitend verbunden ist, wobei ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle mittels des Kontaktierungsmittels, insbesondere einer Spitze, und des Schaltelements, insbesondere eines MOSFET-Schalters, mit der Reaktionsfolie verbindbar ist. Somit ist das Aktivierungselement mittels einer elektronischen Schaltung auslösbar. Vorteilhafterweise ist die Spitze gefedert ausgeführt.
Der Kern der Erfindung bei dem Energiespeicher aufweisend zumindest eine Energiespeicherzelle und zumindest ein elektrisches Überbrückungselement wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf das Überbrückungselement bezogenen Ansprüche, besteht darin, dass das elektrische Überbrückungselement parallel geschaltet zu zumindest einer Energiespeicherzelle des Energiespeichers angeordnet ist.
Hintergrund der Erfindung ist, dass die Energiespeicherzelle in einer Gefahrensituation mittels des Überbrückungselements überbrückbar ist. Somit ist ein Überhitzen der Batteriezelle zum Beispiel durch einen Kurzschluss oder einen kritischen Ladezustand vermeidbar.
Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung und/oder dem Fahrzeug besteht darin, dass die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug einen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach dem auf den Energiespeicher bezogenen Anspruch aufweist.
Hintergrund der Erfindung ist das mittels des Überbrückungselementes der Energiespeicher in kritischen Fahrzeugsituationen und/oder kritischen Energiespeicherzuständen überbrückbar ist. Beispielsweise ist das Überbrückungselement mittelbar oder unmittelbar mit Fahrzeugsensoren verbunden, die eine kritische Fahrzeugsituation detektieren, das Überbrückungselement auslösen und so den Energiespeicher in einen sicheren Zustand bringen können.
Figurenliste
Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes 1;
2 eine transparente Draufsicht auf das elektrische Überbrückungselement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und
3 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des elektrischen Überbrückungselementes 101.

Ausführungsformen der Erfindung
In den 1 und 2 ist das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselements 1 dargestellt.
Das elektrische Überbrückungselement 1 weist einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (2, 6), auf denen jeweils eine Lotschicht 3 angeordnet ist, und eine Isolierschicht 4 auf.
Die Lotschichten 3 und die Isolierschicht 4 sind in axialer Richtung 7 gestapelt zwischen den elektrischen Leitern (2, 6) angeordnet.
Die Schichtdicke der jeweiligen Lotschicht 3 beträgt 5 µm bis 400 µm, vorzugsweise 10 µm bis 200 µm.
Vorzugsweise sind die Schichtdicken der Lotschichten 3 identisch. Vorteilhafterweise sind die jeweiligen Lotschichten 3 in einem Arbeitsschritt auf den ersten beziehungsweise zweiten Leiter (2, 6) aufbringbar. Vorzugsweise weisen die Lotschichten 33 zinnhaltige Lotmaterialien auf.
Die Schichtdicke der Isolierschicht 4 beträgt zwischen 30µm und 200 µm.
Die Isolierschicht 4 weist zumindest eine Ausnehmung 5 auf, die einen ersten Ausnehmungsabschnitt 5a und einen zweiten Ausnehmungsabschnitt 5b aufweist, insbesondere wobei der erste Ausnehmungsabschnitt 5a und der zweite Ausnehmungsabschnitt 5b miteinander verbunden sind. Dabei ist der erste Ausnehmungsabschnitt 5a in einer ersten Querrichtung 11 zur axialen Richtung 7 breiter als der zweite Ausnehmungsabschnitt 5b.
Der erste und zweite Ausnehmungsabschnitt (7a, 7b) erstrecken sich in axialer Richtung 7 von der auf dem zweiten elektrischen Leiter 6 angeordneten Lotschicht 3 zu der auf dem ersten elektrischen Leiter 2 angeordneten Lotschicht 3.
Die axiale Projektion des ersten Ausnehmungsabschnitts 5a wird vollständig überdeckt von der axialen Projektion der Lotschichten 3.
Der zweite Ausnehmungsabschnitt 5b erstreckt sich von dem ersten Ausnehmungsabschnitt 5a zu einer Seitenkante der Isolierschicht 4. Dabei erstreckt sich der zweite Ausnehmungsabschnitt 5b in einer zweiten Querrichtung 8 zur Axialrichtung 7 weiter als die Lotschichten 3. Vorzugsweise ist die erste Querrichtung 11 im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Querrichtung 8 ausgerichtet.
Auf die elektrischen Leiter (2, 6) wirkt eine Kraft in axialer Richtung 7, die den Schichtstapel zwischen den elektrischen Leitern (2, 6) zusammendrückt. Diese Kraft wird beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Gehäuse oder ein Federelement auf die elektrischen Leiter (2, 6) ausgeübt.
Der auf die elektrischen Leiter (2, 6) wirkende Druck ist üblicherweise inhomogen. Das elektrische Überbrückungselement weist also Bereiche 10, die erhöhtem Druck unterliegen, auf. Dabei ist die Ausnehmung 5 derart in der Isolierschicht 4 angeordnet, dass die Ausnehmung 5 beabstandet ist von diesen Bereichen 10.
Das elektrische Überbrückungselement ist thermisch aktivierbar mittels einer nicht dargestellten Wärmequelle, beispielsweise mittels einer überhitzenden Energiespeicherzelle (Thermal Runaway).
Durch die Wärmezufuhr schmilzt die auf dem zweiten elektrischen Leiter 6 angeordnete Lotschicht 3 und strömt in axialer Richtung 7 in den ersten Ausnehmungsabschnitt 5a, dadurch wird ein Gas, beispielsweise Luft oder ein Schutzgas, insbesondere Edelgas, in der zweiten Querrichtung 8 aus dem ersten Ausnehmungsabschnitt 5a in den zweiten Ausnehmungsabschnitt 5b verdrängt. Mittels des zweiten Ausnehmungsabschnitts 5a tritt das Gas aus dem elektrischen Überbrückungselement aus.
Die Isolierschicht 4 ist beispielsweise als Keramikschicht oder Polymerschicht ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 4 als eine elektrisch isolierende Reaktionsfolie ausgeführt, die mittels eines Aktivierungselements aktivierbar ist, um eine exotherme Reaktion zum Aufschmelzen der Lotschicht 3 auszulösen.
Dabei ist die Isolierschicht 4 beispielsweise ein reaktiver Schichtstapel, der eine Vielzahl von Nanoschichten aufweist, wobei die Nanoschichten eine Schichtdicke von 1 nm bis 500 nm aufweisen. Der reaktive Schichtstapel weist alternierend angeordnete Nanoschichten auf, wie sie beispielsweise in der WO 01/83182 beschrieben sind.
Durch eine Aktivierung der elektrisch isolierenden Reaktionsfolie wird eine exotherme Reaktion ausgelöst, die zumindest eine Lotschicht 3 zumindest teilweise aufschmilzt. Das geschmolzene Lot der Lotschicht 3 durchdringt die Ausnehmung 5 in der Isolierschicht 4 und stellt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (2, 6) her. Dabei ist die Ausnehmung 5 derart ausgeführt, dass das Lot in dem ersten Ausnehmungsabschnitt 5a in axialer Richtung 7 strömt und in der Ausnehmung 5 vorhandenes Gas durch den zweiten Ausnehmungsabschnitt 5b in der zweiten Querrichtung 8 verdrängt.
Das ebenfalls nicht dargestellte Aktivierungselement ist beispielsweise als elektrisches oder thermisches Aktivierungselement oder Lichtquelle ausgeführt. Vorzugsweise ist das Aktivierungselement elektrisch ausgeführt und weist eine Spannungsquelle auf. Ein erster Anschluss der Spannungsquelle ist mit einem der elektrischen Leiter (2, 6) elektrisch leitend verbunden. Ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle ist mittels eines Kontaktierungsmittels, insbesondere einer gefederten Spitze, und eines Schaltelements, insbesondere eines MOSFET-Schalters, mit der Reaktionsfolie verbindbar. Dabei ist das Schaltelement zwischen dem Kontaktierungsmittel und dem zweiten Anschluss der Spannungsquelle angeordnet.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des elektrischen Überbrückungselements 101 dargestellt.
Im Unterschied zu dem elektrischen Überbrückungselement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der erste Ausnehmungsabschnitt 105a in axialer Richtung 7 weiter als der zweite Ausnehmungsabschnitt 105b.
Die axiale Projektion des zweiten Ausnehmungsabschnitts 105b wird also vollständig überdeckt von der axialen Projektion der Isolierschicht 104. Die Ausdehnung der Ausnehmung 105 in axialer Richtung 7 verbreitert sich in der zweiten Querrichtung 8 stufenartig.
Die beschriebene Verwendung eines erfindungsgemäßen elektrischen Überbrückungselementes (1, 101) für einen Energiespeicher ist in der Fahrzeugtechnik und auch in stationären Anwendungen wie der Energietechnik, insbesondere Solarenergietechnik und/oder Windenergietechnik und/oder Wasserenergietechnik, möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2642582 B1 [0002]
US 2014/0210110 A1 [0003]
US 6623283 B1 [0004]
WO 0183182 [0037]

Claims

Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) aufweisend zumindest einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter (2, 6), eine Lotschicht (3) und eine elektrisch isolierende Isolierschicht (4, 104), die die elektrischen Leiter (2, 6) elektrisch voneinander isoliert, wobei die Isolierschicht (4, 104) zumindest eine Ausnehmung (5, 105), aufweisend einen ersten und einen zweiten Ausnehmungsabschnitt (5a, 5b, 105a, 105b) aufweist, wobei die Isolierschicht (4, 104) und die Lotschicht (3) in axialer Richtung (7) derart gestapelt zwischen den elektrischen Leitern (2, 6) angeordnet sind, dass bei einem Schmelzen der Lotschicht (3) das Lotmaterial durch den ersten Ausnehmungsabschnitt (5a, 105a) strömt, wobei ein Gas in den zweiten Ausnehmungsabschnitt (5b, 105b) verdrängt wird und eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den elektrischen Leitern (2, 6) hergestellt wird.
Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Ausnehmungsabschnitt (5a, 5b, 105a, 105b) miteinander verbunden sind.
Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausnehmungsabschnitt (5a) in einer ersten Querrichtung (11) zur axialen Richtung (7) breiter ist als der zweite Ausnehmungsabschnitt (5b).
Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausnehmungsabschnitt (105a) sich in axialer Richtung (7) weiter erstreckt als der zweite Ausnehmungsabschnitt (105b).
Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausdehnung der Ausnehmung (105) in axialer Richtung (7) sich in einer zweiten Querrichtung (8) stufenartig verbreitert.
Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Überbrückungsmittel eine Spannvorrichtung, insbesondere ein Federelement, aufweist, das eingerichtet ist, eine Druckkraft in axialer Richtung auf die elektrischen Leiter (2, 6) auszuüben.
Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die elektrischen Leiter (2, 6) wirkende Druck inhomogen ist, wobei die Ausnehmung (5, 105) von Bereichen (10) mit erhöhtem Druck beabstandet ist.
Elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (4, 104) als eine elektrisch isolierende Reaktionsfolie ausgeführt ist, die mittels eines Aktivierungselements aktivierbar ist, um eine exotherme Reaktion zum Aufschmelzen der Lotschicht (3) auszulösen, insbesondere wobei das Aktivierungselement als elektrisches und/oder thermisches Aktivierungselement und/oder als Lichtquelle ausgeführt ist.
Elektrischer Energiespeicher aufweisend zumindest eine Energiespeicherzelle und zumindest ein elektrisches Überbrückungselement (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Überbrückungselement (1, 101) parallel geschaltet zu zumindest einer Energiespeicherzelle des Energiespeichers angeordnet ist.
Vorrichtung und/oder Fahrzeug aufweisend zumindest einen elektrischen Energiespeicher nach Anspruch 9.