具有压力限制装置的电池、功能装置和压力限制方法与流程

本发明涉及电池，该电池包括多个电池单体，其中，相应预定数量的电池单体借助于机械式夹紧装置机械地夹紧成相应的单体组。在此，预定的数量优选地为一个、两个、三个或更多个。本发明还涉及至少部分地电驱动/运行的、具有这种电池的功能装置以及用于在这种电池中进行压力限制的方法。

背景技术：

本发明意义上的电池包括多个彼此电气互联的电池单体，其例如可设计为棱柱形单池或软包单池。通过电池单体的电气互联，这种电池例如可基于多个电池单体而提供大于60伏并且尤其是数百伏的电压，因此此时这种电池还被称为高压电池。优选地，电池单体如此彼此布置成单体组，使得电池单体的单体极或电气联接部或接触极可在没有结构上的额外花费或仅有很低的结构上的额外花费的情况下彼此电气互联。互联例如可通过焊接导电的接触器件、例如导电排(汇流排)或所谓的母线来实现。在软包单池中，电气触头通常由固定在汇流排或母线处的箔片形成。在这种电池中，可布置有多个电池单体模块，其具有单体组，该电池单体模块又可借助于单体模块连接器彼此电气连接。

这种电池的电池单体由于运行而鼓胀(所谓的膨胀)。由于机械地彼此夹紧的电池单体的膨胀，在单体组中产生累进的并且作用于电池单体的鼓胀压力，该鼓胀压力可引起单个电池单体的变形，并且可最终引起由电池单体构建并且机械地夹紧的单体组的变形，这尤其导致在单体极和与单体极焊接或以其他方式固定连接的导电排之间的相对运动。单体组的变形通常借助于机械式夹紧装置来抵抗。在原则上已知的布置结构中，这种夹紧装置例如可具有限制元件和牵拉元件，并且构造成将夹紧压力传递到单体组上。

因此，例如de102004027694b4说明了一种具有加压系统的燃料单体组。该加压系统包括至少一个弹簧元件，该弹簧元件在完全张紧的状态中具有彼此相对而置的两个平面侧，在未张紧的状态中，其中一个平面侧凸形地构造，而另一平面侧凹形地构造。由于电池单体的膨胀和伴随于此的体积增加，所述的弹簧元件越来越多地挤压在一起，并且作用于单体组的电池单体的力持续上升。由于弹簧的几何结构，力应沿着燃料单体组的最外面的单体均匀分布。不利的是没有压力限制。

还由de102010031641a1已知一种电池模块，其具有压板。压板在此弹性地来构造，并且在通过夹紧单元夹紧的状态中将回位力施加给夹紧单元。在此，同样存在的不利的效果是，由于电池单体的累进的膨胀和伴随于此的体积增加，作用于电池单体的总压力持续地且不受限地上升。

wo2014/072119a1说明了电池模块的类似的设计方案。在此，夹紧单元或压板同样构造为弹性元件。随着电池的使用时间的增加，在此累进的鼓胀压力同样传递到电池单体上，从而在电池模块的内部中的压力负荷在整个使用寿命期间持续增加。

尽管已知的解决方案借助于所说明的弹性压板能够在将压力有针对性地导入到相应的单体组中这方面实现一定的灵活性，然而它们共同具有的缺点是，作为由相应电池单体的累进的膨胀引起的相应的由运行引起的鼓胀压力和相应的夹紧压力的总和，作用于电池单体的总压力可在多个充电周期上在相应的单体组的内部中不受限地上升。这不利地导致电池单体的提高的损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于，减少开头说明的类型的电池的电池单体的由压力引起的损耗。

本发明基于的认识是，可由下述方式积极地影响电池单体的寿命，即，作用到电池单体上的压力不仅尽可能均匀地分布且在电池单体整个使用寿命期间尽可能保持恒定，而且不超过相应的最大允许的压力水平。

该目的通过独立权利要求的主题实现。本发明的有利的改进方案通过从属权利要求、下文的说明以及附图来说明。

通过本发明提供了开头说明的类型的电池，其具有多个机械地彼此夹紧成单体组的电池单体。在根据本发明的电池中，由于开头说明的效应，夹紧装置的相应的夹紧压力和通过电池单体的由于运行引起的体积增加产生的和累进的/渐增的鼓胀压力叠加成作用到相应的单体组上的总压力。在此，最初纯粹通过夹紧压力作用到单体组的电池单体上的力例如可为3kn至7kn，尤其为5kn。因此，从该值开始并且由于累进的鼓胀压力，作用到单体组上的总压力在单体组的电池单体的整个使用寿命期间持续上升。

根据本发明，电池具有压力限制装置，以用于将总压力限制到最大允许的压力限值/限压，或者说使总压力以最大允许的压力限值为限。在此，最大允许的压力限值优选地低于电池特定的并且已知的临界压力负荷，并且优选地相当于作用到电池单体上的最大为20kn、优选地在10kn和15kn之间的力。因此，最大允许的压力限值为可由本领域技术人员确定的、预先给定的最大压力值。于是，通过压力限制装置可将作用到电池单体上的力限制到最大15kn的值，并且优选地限制到10kn或者甚至8kn的值。

压力限制装置根据本发明具有至少一个压力限制元件，其中，一个相应的压力限制元件布置在单体组的电池单体中的至少两个或一些或每个之间，和/或布置在单体组的一个相应的位于末端的电池单体与夹紧装置的与该相应的位于末端的电池单体相邻布置并且分配给该相应的位于末端的电池单体的夹紧板之间。夹紧装置的夹紧板或端板例如可由金属板或塑料板来实现。换句话说，一个相应的压力限制元件可构造为在单体组的相应的电池单体之间的中间元件或夹层。作为这种夹层，相应的压力限制元件例如可在将单体组装配到期望的位置处时置入电池单体之间和/或置入一个相应的位于末端的电池单体与夹紧装置的为该位于末端的电池单体分配的夹紧板之间。

根据本发明，相应的压力限制元件具有弹性并且设计成，在超过预先确定的最大压力限值的情况下或在超过预先确定的最大压力限值的时刻在保持弹性的情况下塑性变形。换句话说，压力限制元件为原则上弹性的元件或构件，所述元件或构件由于压力负荷而弹性变形，并且在取消压力负荷时力求重新呈现其在压力负荷之前所具有的初始形状或回到初始形状。换句话说，如果压缩压力限制元件，压力限制元件施加回位力。然而，如果作用到压力限制元件上的总压力超过最大允许的压力限值的值，则压力限制元件塑性变形。因此，在超过压力限值时，压力限制元件为总压力让路或者面对总压力而退缩，由此将总压力限制为最大允许的压力限值。因此，在退缩的过程中，压力限制元件能够使得相应压靠在其上的电池单体实现受控的厚度增长或受控的体积增加。然而，压力限制元件的弹性特性没有由于塑性变形而改变。仅仅出现弹性的压力限制元件的新的工作点，其与变大的电池单体相匹配。因此，尽管塑性变形，但由压力限制元件施加的回位力仍保持不变。

通过本发明得到的优点是，能够实现在电池单体使用寿命内对电池单体的向上受限的压力加载和电池单体的受控的体积增加。因此可有利地提高电池单体的使用寿命以及减少损耗。

本发明同样还包括产生附加的优点的实施方式。

电池单体的由于运行引起的体积增加优选地累进地并且在连续的、即相继的周期/循环中进行。一个相应的周期包括鼓胀区间和消胀区间，鼓胀区间和消胀区间以吸气和呼气的方式彼此衔接。鼓胀区间例如可与一个相应的电池单体的充电过程相关联，而相应的消胀区间可与该相应的电池单体的放电过程相关联。在鼓胀区间期间，相应的电池单体相对于初始厚度发生鼓胀。在消胀区间期间，相应的电池单体消退到与初始厚度不同的最终厚度。因此，初始厚度相当于相应的电池单体在相应的周期开始时的厚度，而最终厚度相当于相应的电池单体在相应的周期结束时的厚度。在此，最终厚度大于初始厚度。也就是换言之，电池单体在一个相应的周期期满后总地具有比在该相应的周期开始时更大的厚度。换句话说，发生相应的电池单体的累进的厚度增长或累进的体积增加。在此，厚度增长的累进通过相应的电池单体的周期性的呼吸而叠加。根据本发明的一个有利的实施方式，弹性的压力限制元件恰好陪同相应的电池单体的这种周期性的呼吸。据此，压力限制元件被设计成，与当前总压力无关地由于鼓胀而被弹性压缩，并且在消胀时伸展。由此，反作用于相应的当前总压力的预先确定的反压力在相应的周期的整个持续时间期间作用到相应的电池单体上。如上文说明的那样，压力平衡元件在相应的当前总压力超过预先确定的最大允许的压力限值的时刻塑性变形。然而，因为所说明的弹性独立于相应当前的总压力存在，所以所说明的实施方式能够实现在一个相应的塑性变形之后也有利地使相应的电池单体的呼吸的弹性陪同继续下去。因此有利地避免在进行了塑性变形之后相应的电池单体的不受控的膨胀。

优选地，弹性和在超过压力限值时出现的塑性变形由至少一个压力限制元件的材料决定。例如，可设置金属或金属合金或塑料或纤维复合材料作为材料。也可考虑所述弹性的结构条件，并且例如可通过压力限制元件的预先确定的薄弱区域来实现该结构条件。

根据一个有利的实施方式，至少一个压力限制元件被设计为板簧或螺旋弹簧或波纹板或由多个碟形弹簧构成的复合结构。因此，在复合结构的情况下，将多个碟形弹簧的共同作用理解为一个唯一的压力限制元件，其可在碟形弹簧的各位置处产生一个压力点。为了设定局部的弹簧刚度，可相应地预给定碟形弹簧的表面密度。

因为一个相应的电池单体的所说明的由于运行引起的体积增加通常不是均匀地或一样地沿着该相应的电池单体的周部产生影响，而是完全相反地，在由于运行引起的体积增加期间，相应的电池单体的胀起优选地发生在电池单体的中央区域中，所以根据一个有利的实施方式规定，至少一个压力限制元件的弹性沿着相对于作用到压力限制元件上的总压力垂直地和/或相对于夹紧压力垂直地伸延的平面而改变。为此，例如可规定，由多个碟形弹簧构成的复合结构在增加的弹性的区域中比在更小的弹性的区域中设置碟形弹簧的更密的布置，在更小的弹性的区域中可设置碟形弹簧的密度更低或更松散的布置。还可规定，弹性的改变通过压力限制元件的结构上弱化的区域来实现。这例如可为波纹板的开缝或穿孔的区域。由此得到的优点是，作用到鼓胀的电池单体上的、由压力限制元件的弹性引起的回位力均匀地沿着所述平面分布。

对于相应的压力限制元件由金属或其他导热材料形成的情况，一个优选的实施方式规定，单体组的相应相邻的电池单体相对于彼此借助于相应布置在相邻的电池单体之间的中间层相互隔热。即，相应的中间层优选地由隔热材料形成。一个相应的中间层优选地具有最低厚度，该最低厚度例如在0.5mm至1.5mm的范围中，优选地为1mm。隔热材料具有的导热系数优选在0.004w/m*k和0.04w/m*k之间。作为可行的隔热材料，例如可设置陶瓷层。

根据一个优选的改进方案，相应的中间层由可压缩的材料形成。作为可压缩的材料，例如可使用塑料或合成树脂或聚氨酯。所说明的可压缩的中间层优选地可在小于预先确定的最大允许的压力限值的压力范围中在厚度方面压缩至少5％、10％、15％或更多。由此，电池单体的变形可有利地由中间层吸收。

根据一个优选的实施方式，在电池单体中的至少两个电池单体之间或一些电池单体之间或每个电池单体之间和/或在单体组的相应的位于末端的电池单体与夹紧装置的与相应的位于末端的电池单体相邻布置并且分配给该位于末端的电池单体的夹紧板之间布置有作为间隔保持元件的至少一个框子，所述框子包围布置在其内、即布置在框子中的压力限制元件，并且界定出不受夹紧压力影响的自由空间。由此得到的优点是，在电池单体之间的不受夹紧压力影响的自由空间内，可发生电池单体的由于运行引起的变形或体积增加，而该变形不会导致单体组的长度伸长形式的变形。电池单体的单体极在其位置方面保持不变。因为在该实施方式中，自由空间不受夹紧压力影响，所以夹紧压力可相当于最大允许的压力限值。

此外，本发明还包括具有电池的、至少部分地电驱动/运行的功能装置。功能装置优选地为至少部分地电驱动的机动车。机动车优选地为汽车，尤其为轿车或载重汽车，或者为客车或摩托车，其具有至少部分地电动式的驱动器。功能装置例如还可为固定式电存储器。

本发明还包括一种用于限制作用到电池的单体组上的总压力的方法，其中，单体组包括多个机械地借助于夹紧装置彼此夹紧的电池单体，其中，通过夹紧装置将夹紧压力传递到单体组的电池单体上，其中，夹紧压力通过由电池单体的由于运行引起的累进的鼓胀而产生的、增加的鼓胀压力来补充，以形成作用到单体组上的合成的总压力。

根据本发明的方法的突出之处在于，为电池提供用于将总压力限制到最大允许的压力限值的压力限制装置。在此，将压力限制装置的至少一个压力限制元件布置在电池单体中的至少两个电池单体之间或一些电池单体之间或每个电池单体之间和/或布置在单体组的相应的位于末端的电池单体与夹紧装置的与相应的位于末端的电池单体相邻布置并且分配给该位于末端的电池单体的夹紧板之间。根据本发明，相应的压力限制元件具有弹性，并且在超过预先确定的最大压力限值的情况下，即在超过预先确定的最大压力限值的时刻，在保持弹性的情况下塑性变形。由此将总压力限制为允许的最大压力限值。换句话说，将总压力保持在在夹紧压力与最大允许的压力限值之间的压力水平范围或压力范围中。换句话说，出现了在允许的最大压力限值的水平上的压力平顶曲线/压力平台，从该压力平顶曲线可向下偏离，然而不能向上偏离。换句话说，作用到电池单体上的力保持恒定，直至相应的充电过程结束，并且力随着放电再次减小。

本发明还包括根据本发明的方法的改进方案，其具有如已经结合根据本发明的电池的改进方案说明过的特征。同样的情况适用于根据本发明的功能装置的改进方案。出于该原因，此处不再再次说明相应的改进方案。

本发明还包括所说明的实施方式的特征的组合。

附图说明

在下文中说明了本发明的实施例。其中

图1示出了具有布置在电池单体之间的压力限制元件的单体组的示意性的图示；

图2示出了具有布置在端部的压力限制元件的单体组的示意性的图示；

图3示出了一个电池单体随时间变化的压力曲线图；并且

图4示出了压力限制元件的压力-弹簧行程图。

具体实施方式

下文阐述的实施例为本发明的优选的实施方式。在所述实施例中，实施方式的所说明的部分相应为本发明的可彼此独立考虑的单个特征，这些特征还相应彼此独立地改进本发明。因此，本公开还应包括实施方式的特征的不同于所示组合的组合。此外，所说明的实施方式还可通过本发明的已经说明的特征中的其他特征来补充。

在附图中，相同的附图标记相应表示功能相同的元件。

图1示出了功能装置10的示意性的图示，功能装置具有根据本发明的电池12和单体组14。图1的单体组14示例性地包括三个电池单体16。电池单体16借助于夹紧装置18机械地彼此夹紧成单体组14，该夹紧装置包括侧面的牵拉元件20和位于端部的夹紧板22。在图1中，在位于电池单体16与相邻的电池单体16之间以及位于各个位于末端的电池单体16与为其分配的夹紧板22之间的相应的中间空间中布置有相应的压力限制元件24。图1的示例性地示出的四个压力限制元件24设计为相应的波纹板，波纹板布置或夹紧在所述的中间空间中。

图2参考结合图1示出和说明的构件示出了单体组14，其中，在图2的单体组14中，单个的压力限制元件24作为弹簧元件以位于端部的方式布置在位于末端的电池单体16与为其分配的夹紧板22之间。此外，图2示出了各个中间层26，该中间层可设计为隔热层和/或可挤压的或可压缩的中间层。

图3示出了从一个电池单体16来看压力随时间的变化曲线示意图(p-t-图)。总计示出了七个周期28a-28g或充电周期。周期28a-28g中的每个周期具有相应的鼓胀区间(其中压力增加)和相应的消胀区间(其中压力减小)。由于电池单体16在连续的周期28a-28g期间的累进的体积增加，产生鼓胀压力的累进的增加，并且因此产生总压力p的累进的增加。从预紧压力pv(其例如可在3kn和7kn之间，尤其可为5kn)开始，作用到电池单体16上的总压力p上升直至最大允许的压力限值pg。在周期28e期间达到压力限值pg，其例如可在9kn和15kn之间，尤其可为10kn。在时刻t1，压力限制元件24塑性变形。由于该塑性变形，作用到电池单体16上的总压力p不再进一步上升，尽管电池单体16的鼓胀或电池单体16的增大或厚度增加继续发生。这种厚度增长或受控的体积增加例如可在0.1mm和0.3mm之间，而作用到电池单体16上的总压力p不增加，这是因为面对电池单体16的膨胀，压力限制元件24通过塑性变形来退缩。由于压力限制元件24的弹性特性不受塑性变形的影响，所以弹性的压力限制元件24在施加预先确定的反压力的情况下伴随周期28e的消胀区间，直至周期28e在时刻t2结束并且因此达到电池单体16的相应的最终厚度。对于随后的充电周期28f和28g，重复所说明的过程，其中，各自在超过最大允许的压力限值pg时，分别发生压力限制元件24的塑性变形。

因此，当超过上限或压力限值pg(例如10kn)时，总是仅有最小的塑性变形。压力限制元件24的回位力并不减小，该回位力在压力限值pg处停止，即例如在10kn时停止，并且不再进一步提高，这是因为出现塑性变形，即例如波纹板弯曲。压力限制元件24的弹性特性并不改变/最小地改变，仅仅工作点改变。

在具体的实施例中，对于在图3中说明的场景可假定以下情况：在周期28e期间，作用到电池单体16上的总压力p很想上升到10.5kn，但是因为在此开始塑性变形，所以只能达到(作为压力限值pg的)10kn。电池单体16增长了0.1mm，而力或总压力p不增加。在放电时或在周期28e的消胀区间期间，力又回到8kn。在紧接着的周期28f开始时，总压力p又为8kn，并且又将上升到10.5kn，但这不会发生，因为最后的0.5kn导致小的塑性变形。电池单体16增长了0.1mm，而力或总压力p不增加。在放电时，总压力p又降回到8kn。电池单体16变得稍微更厚，但力没有增加。对于所有接下来的充电周期28g及后续的周期，情况相同。

图4借助示意性的压力-弹簧行程图(p-s-图)说明了两个工作区域i和ii。至弹簧行程s1为止，发生根据在区域i中的曲线图的弹性变形，在达到弹簧行程s1时，发生压力限制元件24的塑性变形(在该示例中两个周期)。因此，直至点s1，总压力p以及弹簧行程都增加。在图4的第二周期的消胀区间期间，电池单体16“呼气”(消胀)，总压力p再次降低，然而保持高于第二周期开始时的总压力p。在进一步的过程中，即在图4的第三周期的过程中，总压力p再次增加，直至达到压力限值pg。自该点起，总压力p由于压力限制元件24的塑性退缩而不再进一步增加，而是沿着大小为压力限值pg的平顶曲线/平台推进。然而，电池单体16的鼓胀继续。在图4的第三周期的消胀区间的过程中，又发生电池单体16的“呼气”和缩小，使得作用到电池单体上的总压力p再次下降。弹性的压力限制元件24跟随电池单体16的缩小，直至再次出现第三周期开始时的总压力p。从该点起，开始图4的第四周期和每个随后的周期。

在电运行的车辆或至少部分地电驱动/运行的功能装置10的高压电池中，目前主要使用呈各种封装形式的锂离子单体或电池单体16，例如圆形单池、棱柱形单池(罐式)或软包单池。所有这些类型的单体随着在使用寿命期间的周期28或充电周期的数量而老化。单体的与之相关联的体积增加被称为膨胀。

为了最大化电池单体16的使用寿命，需要受控的膨胀过程。为此，通过尽可能均匀的、在使用寿命内指定的或预先确定的压力来加载各电池单体16。在此，压力不必恒定。

具有棱柱形电池单体16的目前的单体模块或单体组14包括一系列彼此连接的电池单体16，它们彼此通过中间层电绝缘和热隔离、彼此粘接并且夹在两块端板(所谓的“endplate”)或夹紧板22之间。在此，以确定的预紧力或夹紧压力对电池单体16加载。在该预紧力下，将两个端板与两个外置的板件(即“侧板”)或牵拉元件20焊接在一起，使得预紧力在装配好单体模块之后继续作用到各电池单体16上。

随着迄今已知的单体组14的电池单体16的首次充电过程，开始膨胀，各电池单体16的体积增加。然而，在放电时，体积没有重新回到初始值。因此，每个充电周期或周期28电池单体16之间的间隙变得更窄，中间层中的材料受到压缩。由于中间层的线性的弹性特性和侧板的高的刚性，作用到电池单体16上的压力或总压力与变形成正比地上升。在多个充电周期和随之增加的变形期间，压力强烈地升高，使得电池单体16的使用寿命明显降低。此外，不均匀的压力加载额外导致使用寿命的降低，因为在此可能在某些点超过临界压力pk。

在本发明的一个具体的实施方式中提出，将作为压力限制元件24的补偿层/中间层实施为，使得其在预期的变形范围内在确定的力水平(压力限值pg)下从纯弹性变形转变到塑性变形的范围中。在此，(例如通过结构设计、如厚度选择和/或形状选择，和/或通过材料选择)如此选择该力水平，使得在电池12的整个使用寿命期间不会出现对于单体老化来说危险的负荷pk(参见图4)。

通过本发明得到电池单体16的均匀的、在电池单体16的使用寿命内上限受限的压力加载的优点。由此实现使用寿命的显著提高。

在本发明的一个具体的实施方式中，中间层或压力限制元件24设计为薄的波纹板。波纹板如此设计，使得在达到临界的单体负荷pk之前开始塑性变形。为了对单体进行隔热，可引入例如由陶瓷构成的隔热层26。在图1中示出了单体模块的示意性的构造。

该实施方案的另一优点是：膨胀力均匀地分布到整个单体表面上。由此避免局部的压力峰值，在该处可提早出现老化过程。

总体而言，这些示例示出了本发明可如何在电池12的整个使用寿命期间确保作用到电池单体16上的均匀的力分布。