DE10311576A1

DE10311576A1 - Overcurrent protection for electric strip conductors for battery cells, with strip collector electrodes and restriction located in connecting direction between connecting electrodes

Info

Publication number: DE10311576A1
Application number: DE10311576A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Kornetzky
Original assignee: INST MIKROELEKTRONIK und MECHA; Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Ggmbh
Current assignee: INST MIKROELEKTRONIK und MECHA; Institut fur Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme Ggmbh
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-23

Abstract

At least one point of electric conductor, i.e. collector electrode (1,2) is provided restriction (7,13) so dimensioned that current flowing over restriction, at preset current level, causes fusing of collector electrode at restriction. Preferably collector electrode comprises one or more connecting electrodes (A,B). Restriction is located at side of collector electrode, facing connecting electrode. There may be at least two connecting electrodes, with restriction located in connecting direction between connecting electrodes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzeinrichtung für flächenhafte Elektroleiter. Sie kann beispielsweise für eine Batteriezelle mit flächenhaften Sammelelektroden verwendet werden.The invention relates to an overcurrent protection device for extensive Electric conductor. It can be used, for example, for a battery cell with two-dimensional areas Collecting electrodes are used.

Eine Batteriezelle mit flächenhaften Sammelelektroden ist z.B. aus DE 42 15 124 A1 bekannt. Die flächenhaften Sammelelektroden werden von zwei beschichteten Metallfolien gebildet. Zwischen den Sammelelektroden befindet sich ein Elektrolyt. Die Metallfolien werden aufgewickelt, wobei ihre Lage zueinander etwas versetzt ist, so dass an jeder Stirnseite des Wickels eine Kontaktierung erfolgen kann.A battery cell with flat collecting electrodes is, for example, out DE 42 15 124 A1 known. The flat collecting electrodes are formed by two coated metal foils. There is an electrolyte between the collecting electrodes. The metal foils are wound up, their position being somewhat offset from one another so that contact can be made on each end face of the winding.

In DE 42 15 124 A1 wird eine Methode vorgeschlagen, den Batteriestrom aus einer Spannungsmessung zwischen einer zusätzlichen Messelektrode an einem nichtkontaktierten Randabschnitt und der zugehörigen Anschlusselektrode zu ermitteln. Mit Hilfe der Strommessung können die verschiedenen Betriebszustände der Batteriezelle überwacht werden und so u.a. Überlastzustände erkannt werden, die z.B. durch einen äußeren Kurzschluss verursacht wurden. Dies setzt allerdings eine entsprechende Auswerteschaltung sowie einen Schalter voraus.In DE 42 15 124 A1 A method is proposed to determine the battery current from a voltage measurement between an additional measuring electrode at an uncontacted edge section and the associated connection electrode. With the help of the current measurement, the various operating states of the battery cell can be monitored and thus, among other things, overload states can be identified, which were caused, for example, by an external short circuit. However, this requires a corresponding evaluation circuit and a switch.

Preiswerter sind Überstromsicherungen außerhalb der Batteriezellen. Auch diese stellen jedoch einen apparativen Aufwand dar, der in vielen Fällen aus technischer oder ökonomischen Gründen gescheut wird.Overcurrent fuses outside are cheaper the battery cells. However, these also represent an apparatus Effort that in many cases technical or economic establish is spared.

In beiden Fällen werden Überströme, die aufgrund eines inneren Fehlers in der Batteriezelle nur in der Batteriezelle selbst fließen, nicht erkannt. Solche Fehler können durch eine innere Zerstörung der Elektrodenflächen auftreten, die z.B. durch eine äußere mechanische Einwirkung entstehen kann. Innere Kurzschlüsse können zur Überhitzung der Batteriezelle und damit zur Gefährdung angeschlossener Verbraucher führen. In vielen Fällen besteht dann Brand- bzw. Explosionsgefahr.In both cases there are overcurrents due to an internal fault in the battery cell only in the battery cell flow yourself, not recognized. Such mistakes can through internal destruction of the electrode surfaces occur e.g. by an external mechanical Influence can arise. Internal short circuits can cause the battery cell to overheat and therefore a hazard connected consumers. In many cases there is then a risk of fire or explosion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überstromschutzeinrichtung für flächenhafte Elektroleiter anzugeben, die den Elektroleiter mit nur wenig zusätzlichem Aufwand gegen jede Art von Überströmen schützt.The invention has for its object an overcurrent protection device for flat electrical conductors specify the electrical conductor with little additional Protects effort against any kind of overcurrents.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention the object is achieved by the features of claim 1. Appropriate configurations are the subject of subclaims.

Danach ist mindestens an einer Stelle des Elektroleiters eine Verengung vorgesehen, die so dimensioniert ist, dass ein über diese Verengung fließender Strom bei einer vorbestimmten Stromhöhe ein Durchschmelzen dieses Elektroleiters bewirkt.After that is at least in one place the electrical conductor is provided with a constriction that is dimensioned in this way is that about this narrowing more fluid Current at a predetermined current level a melting of this Electric conductor causes.

Zweckmäßig können die Verengungen sowohl an einer Seite des Elektroleiters angeordnet, die einer Anschlusselektrode zugewandt ist, als auch in der Verbindungsrichtung zwischen zwei Anschlusselektroden, so dass der Elektroleiter quasi in Teilflächen aufgeteilt wird.The narrowing can expediently both arranged on one side of the electrical conductor, that of a connection electrode is facing, as well as in the direction of connection between two Connection electrodes, so that the electrical conductor is quasi divided into sub-areas becomes.

Die Verengungen zwischen den Teilflächen bzw. an der einer Anschlusselektrode zugewandten Seite eines Elektroleiters bilden Mikrosicherungen mit der Wirkung, dass die Elektroden an den Engstellen im Falle eines Überstromes durch Stromerwärmung abschmelzen und so den Stromfluss unterbrechen. Das kann z.B. bei Batteriezellen mit flächenhaften Sammelelektroden – bedingt beispielsweise durch einen äußeren Kurzschluss – ein Stromfluss in Hauptstromrichtung der Batteriezelle entlang der Längsachse des Batteriewickels, es kann aber auch – bedingt durch einen inneren Kurzschluss – ein Strom in Querrichtung dazu sein.The narrowing between the partial areas or on the side of an electrical conductor facing a connection electrode form micro fuses with the effect that the electrodes on the bottlenecks in the event of an overcurrent through electricity heating melt and interrupt the current flow. This can e.g. at Battery cells with extensive Collective electrodes - conditional for example, due to an external short circuit - a current flow in the main current direction of the battery cell along the longitudinal axis of the battery winding, but it can also - due to an inner Short circuit - a current in the transverse direction.

Bevorzugt erstrecken sich die Verengungen in ihrer jeweiligen Richtung über die gesamte Fläche eines Elektroleiters, bei einer Sammelelektrode also zweckmäßig über die Länge und die Breite der Sammelelektrode.The constrictions preferably extend into in their respective directions the entire area of a Electric conductor, in a collecting electrode, therefore, expediently via the Length and the width of the collecting electrode.

Die Verengung kann durch teilweises Entfernen der Fläche des Elektroleiters innerhalb einer geschlossenen flächenhaften geometrischen Form realisiert werden. Beispielsweise kann das durch eine Perforierung entlang der Länge und/oder Breite einer Sammelelektrode erfolgen.The narrowing can be caused by partial Remove the area of the electrical conductor within a closed areal geometric shape can be realized. For example, through a perforation along the length and / or width of a collecting electrode.

Die Verengung kann auch durch eine partielle Verringerung der Dicke der Metallfolie erreicht werden, die üblicherweise für einen flächenhaften Elektroleiter benutzt wird.The narrowing can also be caused by a partial reduction in the thickness of the metal foil can be achieved the usual for one areal Electric conductor is used.

Es können auch mehrere Verengungen vorgesehen sein, deren Geometrie sich hinsichtlich ihrer Länge und/oder Breite und/oder Dicke voneinander unterscheidet, so dass unterschiedliche Stromstärken ein Durchschmelzen jeweils an einer spezifischen Stelle bewirken.There may also be multiple constrictions be provided, the geometry of which with respect to its length and / or Width and / or thickness differ from each other, so that different currents cause melting at a specific point.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention is based on the following of an embodiment are explained in more detail. In the associated Show drawings

1 eine erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung anhand einer Batteriezelle, mit der Mikrosicherungen gegen äußere Überströme realisiert werden und 1 an overcurrent protection device according to the invention using a battery cell, with the micro-fuses against external overcurrents are realized and

2 eine solche Batteriezelle mit zusätzlichen Mikrosicherungen gegen innere Überströme. 2 such a battery cell with additional micro fuses against internal overcurrents.

1 zeigt schematisch einen Teilabschnitt einer Batteriezelle, z.B. eines Lithium-Ionen-Polymer-Akkumulators, in abgewickeltem Zustand. Die Batteriezelle besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Sammelelektroden 1 und 2, zwischen denen sich ein Elektrolyt 3 befindet. Die Sammelelektroden 1, 2 sind etwas versetzt zueinander übereinander gelegt und können zu einem Zylinder aufgewickelt werden. An den Längsseiten der Sammelelektroden 1, 2, die z.B. nach dem Aufwickeln, beispielsweise zu einem Zylinder, die Stirnseiten des Wickels bilden, sind großflächige Kontaktierungen 4, 5 vorgesehen. Eine Mikrosicherung besteht nach dem dargestellten Beispiel aus einer Einengung 7 im Hauptstrompfad 8 zwischen der Sammelelektrode 1 und einer Anschlusselektrode A. Die Mikrosicherungen werden durch Perforierungen 6 realisiert. Im Bereich der Mikrosicherungen ist die Stromdichte in der Sammelelektrode 1 erhöht. Die damit einhergehende erhöhte Wärmeentwicklung führt im Falle eines zu hohen Stromes in der Hauptstromrichtung 8 zum Abschmelzen des Elektrodenmaterials und in dessen Folge zu einer Unterbrechung des Strompfades an den Einengungen 7. Der zur Unterbrechung führende Strom kann durch eine geeignete geometrische Dimensionierung der Mikrosicherung eingestellt werden. Zur Unterbrechung eines Überstromes, der außerhalb der Batteriezelle z.B. durch Kurzschluss verursacht wird, erfolgt die Anordnung der Mikrosicherungen vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Kontaktierung 4 der Sammelelektrode 1. Zum Erreichen einer universellen Schutzwirkung können auch mehrere Mikrosicherungs-Anordnungen eingesetzt werden. 1 shows schematically a portion of a battery cell, such as a lithium-ion polymer battery, in an unwound state. The battery cell consists of two electrically conductive collecting electrodes 1 and 2 , between which there is an electrolyte 3 located. The collecting electrodes 1 . 2 are slightly offset from each other and can be wound up into a cylinder. On the long sides of the collecting electrodes 1 . 2 For example, after the winding, for example to form a cylinder, the end faces of the winding are large-area contacts 4 . 5 intended. A micro fuse consists of a restriction according to the example shown 7 in the main current path 8th between the collecting electrode 1 and a connecting electrode A. The micro fuses are perforated 6 realized. The current density in the collector electrode is in the area of the micro-fuses 1 elevated. The associated increased heat development leads in the case of an excessively high current in the main current direction 8th for melting the electrode material and subsequently interrupting the current path at the constrictions 7 , The current leading to the interruption can be set by a suitable geometric dimensioning of the micro fuse. In order to interrupt an overcurrent caused, for example, by a short circuit outside the battery cell, the micro-fuses are preferably arranged in the immediate vicinity of the contact 4 the collecting electrode 1 , To achieve a universal protective effect, several microsecurity arrangements can also be used.

In 2 sind zusätzliche Mikrosicherungen dargestellt, die zum Schutz vor internen Überströmen vorgesehen sind. Interne Überströme zeichnen sich dadurch aus, dass diese nicht über die äußeren Anschlusselektroden A, B fließen, sondern entlang interner Strompfade 10, 11. Eine mögliche Ursache für das Entstehen der Überströme kann sein, dass die Isolationsschicht zwischen den beiden Sammelelektroden 1, 2 in einem durch Mikrosicherungen abgeteilten Abschnitt 9 durch Stoß- oder Schlageinwirkung oder durch das gewaltsame Eindringen von Fremdkörpern beschädigt wurde. Dabei treten auch Überströme auf, die eine von der Hauptstromrichtung 8 abweichende Richtung haben (Strompfade 10, 11) und Verengungen 13 an den Perforationen 12 passieren müssen. Entsprechend der Dimensionierung der Perforationen 12 wird der Überstrom ab einem bestimmten Stromwert durch Abschmelzen der Verengungen 13 unterbrochen. Entsprechend den im Fehlerfall zu erwartenden Strömen können die Verengungen 13 anders dimensioniert werden als die Einengungen 7, die im Hauptstrompfad 8 liegen.In 2 additional micro-fuses are shown, which are provided to protect against internal overcurrents. Internal overcurrents are characterized by the fact that they do not flow through the outer connection electrodes A, B, but along internal current paths 10 . 11 , A possible cause for the occurrence of overcurrents can be that the insulation layer between the two collecting electrodes 1 . 2 in a section separated by micro-fuses 9 has been damaged by impact or impact or by the violent penetration of foreign bodies. Overcurrents also occur, which are from the main current direction 8th have a different direction (current paths 10 . 11 ) and narrowing 13 on the perforations 12 have to happen. According to the dimensioning of the perforations 12 is the overcurrent from a certain current value by melting the constrictions 13 interrupted. The constrictions can correspond to the currents to be expected in the event of a fault 13 be dimensioned differently than the constrictions 7 that are in the main current path 8th lie.

1, 21, 2: Sammelelektrodecollecting electrode
33: Elektrolytelectrolyte
4, 54, 5: Kontaktierungcontact
66: Perforierungperforation
77: Einengungconstriction
88th: HauptstrompfadMain current path
99: Abschnittsection
10, 1110 11: Strompfadcurrent path
1212: Perforierungperforation
1313: Verengungnarrowing
A, BA, B: Anschlusselektrodeterminal electrode

Claims

Overcurrent protection device for flat electrical conductors, characterized in that at least at one point of the electrical conductor there is a narrowing ( 7 . 13 ) is provided, which is dimensioned such that a through this constriction ( 7 . 13 ) flowing current at a predetermined current level a melting of this collecting electrode ( 1 . 2 ) at the narrowing ( 7 . 13 ) causes.

Overcurrent protection device according to claim 1, characterized in that the electrical conductor is provided with at least one connecting electrode and the constriction ( 7 . 13 ) on one side of the collecting electrode ( 1 . 2 ) is arranged, which faces a connection electrode (A, B).

Overcurrent protection device according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical conductor is provided with at least two connection electrodes and the constriction ( 7 . 13 ) runs in the direction of connection between the connection electrodes (A, B).

Overcurrent protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the constriction ( 7 . 13 ) extends over the entire length or width of the electrical conductor.

Overcurrent protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the constriction ( 7 . 13 ) is realized by partially removing the electrical conductor material within a closed areal geometric shape.

Overcurrent protection device according to claim 5, characterized in that the constriction ( 7 . 13 ) by perforation ( 6 . 12 ) is realized in the electrical conductor material.

Overcurrent protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the constriction (7, 13) by a partial reduction in the thickness of the electrical conductor material is realized.

Overcurrent protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical conductor at least one of the collecting electrodes ( 1 . 2 ) a battery cell with flat collecting electrodes ( 1 . 2 ), which are provided with connection electrodes (A, B).

Overcurrent protection device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of constrictions ( 7 . 13 ) are provided, the geometry of which differs from one another in terms of their length and / or width and / or thickness.