DE102015208777A1

DE102015208777A1 - Sicherheitseinrichtung für eine Energiespeicherzelle

Info

Publication number: DE102015208777A1
Application number: DE102015208777.8A
Authority: DE
Inventors: Steffen Bode
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung (2) für eine Energiespeicherzelle (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, wobei die Sicherheitseinrichtung (2) eine Auslöseeinrichtung aufweist, die einen nicht ausgelösten Zustand und einen von diesem verschiedenen ausgelösten Zustand einnehmen kann. Dabei ist die Auslöseeinrichtung dazu eingerichtet, beim Erreichen eines vorbestimmten kritischen Parameterwerts, der ein Wert einer für den Betrieb der Energiespeicherzelle (1) charakteristischen physikalischen Größe ist, selbsttätig aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand überzugehen. Ferner weist die Sicherheitseinrichtung (2) ein Schaltelement (6) auf, mittels dessen die Auslöseeinrichtung zwischen einem ersten Sicherheitszustand und einem oder mehreren weiteren Sicherheitszuständen der Auslöseeinrichtung umschaltbar ist, wobei der vorbestimmte kritische Parameterwert im ersten Sicherheitszustand der Auslöseeinrichtung einem ersten Wert gleich ist und in dem einen oder den mehreren weiteren Sicherheitszuständen der Auslöseeinrichtung jeweils einem weiteren Wert gleich ist, wobei der eine oder die mehreren weiteren Werte des vorbestimmten kritischen Parameterwerts sowohl vom ersten Wert als auch untereinander verschieden sind. Die Erfindung betrifft auch eine Energiespeicherzelle (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Sicherheitseinrichtung (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für eine Energiespeicherzelle für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Energiespeicherzelle für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, die eine derartige Sicherheitseinrichtung umfasst. Nachfolgend werden Energiespeicherzellen der genannten Art mitunter auch verkürzt als Speicherzellen oder Zellen bezeichnet.
In Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antriebsstrang kommen Energiespeicherzellen, insbesondere elektrochemische Zellen wie Lithium-Ionen-Zellen in verschiedener Ausprägung, zum Einsatz. Im Allgemeinen werden mehrere einzelne, in der Regel baugleiche Zellen zu einem sogenannten Zellmodul zusammengebaut, und mehrere Zellmodule bilden einen Gesamtspeicher, der weitläufig als Batterie bezeichnet wird.
Anordnungen und Verschaltungen einzelner Zellen untereinander im Gesamtspeicher können unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die als „96s1p” bekannte Anordnung eine Reihenschaltung von 8 Zellmodulen darstellen, die jeweils 12 Speicherzellen umfassen.
Speicherzellen und Zellmodule unterliegen Sicherheitsanforderungen, die beispielsweise zulässige Höchstwerte für einen Lade- und/oder Entladestrom, eine Lade- und/oder Entladespannung und/oder einen Innendruck der Zelle definieren. Derartige Sicherheitsanforderungen sind insbesondere als genormte Gefahrgutvorschriften bekannt.
In der Regel unterscheiden sich die Sicherheitsanforderungen an einzeln betriebene Zellen von den Sicherheitsanforderungen an Zellen in einem Zellmodul. Dies liegt daran, dass sich elektrische, thermische und mechanische Betriebsbedingungen der Speicherzellen durch den Verbau mehrerer Zellen in einem Zellmodul in vielen Fällen und teilweise stark ändern.
Eine gegebenenfalls starke Änderung der elektrischen, thermischen und mechanischen Betriebsbedingungen zwischen einem Einzelzellbetrieb und einem Zellmodulbetrieb kann dazu führen, dass Zellen, die im Hinblick auf bestimmte Sicherheitsanforderungen für den Einzelzellbetrieb optimiert sind, erforderlichen Sicherheitsanforderungen für den Betrieb in einem Zellmodul nicht genügen.
Zur Überwindung dieses Problems ist es bekannt, zahlreiche Entwicklungsschleifen einer Zelloptimierung mit dem Ziel vorzunehmen, dass Speicherzellen sowohl Sicherheitsanforderungen für den Einzelzellbetrieb als auch Sicherheitsanforderungen für den Zellmodulbetrieb genügen. Diese Methode ist allerdings mit einem entsprechend hohen Aufwand verbunden und birgt naturgemäß ein gewisses Risiko. Diese Nachteile könnten zudem künftig infolge der zunehmenden Energie- und Leistungsdichte bei kommenden Speicherzellgenerationen noch stärker in Erscheinung treten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung für eine Energiespeicherzelle, die in einem Fahrzeug wie einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug zum Einsatz kommen kann, sowie eine Energiespeicherzelle der genannten Art anzugeben, die es ermöglichen, dass eine Energiespeicherzelle bei unterschiedlichen Betriebsarten den entsprechend unterschiedlichen vorbestimmten Sicherheitsanforderungen zuverlässig genügt.
Diese Aufgabe wird durch die Sicherheitseinrichtung gemäß Anspruch 1 und die Energiespeicherzelle gemäß Anspruch 11 oder 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die nachfolgend in Bezug auf die Sicherheitseinrichtung dargestellten Merkmale, Merkmalskombinationen, Ausführungsformen, Wirkungen und Vorteile der Erfindung beziehen sich sinngemäß auch auf die Energiespeicherzelle, und umgekehrt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist die Sicherheitseinrichtung eine Auslöseeinrichtung auf, die einen nicht ausgelösten Zustand und einen von diesem verschiedenen ausgelösten Zustand einnehmen kann und dazu eingerichtet ist, beim Erreichen eines vorbestimmten kritischen Parameterwerts, der ein Wert einer für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristischen physikalischen Größe ist, selbsttätig aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand überzugehen. Ferner weist die Sicherheitseinrichtung ein Schaltelement auf, mittels dessen die Auslöseeinrichtung zwischen einem ersten Sicherheitszustand und einem oder mehreren weiteren Sicherheitszuständen der Auslöseeinrichtung umschaltbar ist. Dabei ist der vorbestimmte kritische Parameterwert im ersten Sicherheitszustand der Auslöseeinrichtung einem ersten Wert gleich und in dem einen oder den mehreren weiteren Sicherheitszuständen der Auslöseeinrichtung jeweils einem weiteren Wert gleich, wobei der eine oder die mehreren weiteren Werte des vorbestimmten kritischen Parameterwerts sowohl vom ersten Wert als auch untereinander verschieden sind.
Durch den selbsttätigen Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten in den ausgelösten Zustand wird ein Sicherheitsmechanismus der Energiespeicherzelle, in der oder an der die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung angebracht ist, aktiviert. Konkrete Beispiele sehr verschiedener Sicherheitsmechanismen werden weiter unten im Zusammenhang mit spezifischen Ausgestaltungen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung und Energiespeicherzelle angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung ist es somit möglich, den vorbestimmten kritischen Parameterwert, bei dem der Sicherheitsmechanismus der Energiespeicherzelle von der Auslöseeinrichtung selbsttätig ausgelöst wird, mittels des Schaltelements auf verschiedene Werte einzustellen und zwischen verschiedenen vorgegebenen Werten umzuschalten. Auf diese Weise kann die Sicherheitseinrichtung zuverlässig an unterschiedliche Betriebsarten der Energiespeicherzelle angepasst werden, die entsprechend unterschiedliche vorbestimmte kritische Parameterwerte zum selbsttätigen Auslösen des Sicherheitsmechanismus der Energiespeicherzelle erfordern.
Die zwei oder mehr unterschiedlichen Betriebsarten der Energiespeicherzelle können insbesondere einen Einzelzellbetrieb und einen Zellmodulbetrieb umfassen, die eingangs geschildert wurden. Die Erfindung ist allerdings nicht darauf beschränkt. Insbesondere können Unterschiede bei den erforderlichen Werten des vorbestimmten kritischen Parameterwerts durch unterschiedliche Anordnungen und/oder Verschaltungen mehrerer Zellen in einem eingangs erwähnten Zellmodul bedingt sein.
Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung kann grundsätzlich bei Energiespeicherzellen beliebiger Art zur Anwendung kommen. Rein beispielhaft wird die Erfindung nachfolgend überwiegend anhand elektrochemischer Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, dargestellt. Das erfindungsgemäße Prinzip ist aber grundsätzlich auch auf andere Zellarten, beispielsweise auf Doppelschichtkondensatoren, anwendbar.
Die Sicherheitseinrichtung kann zum Anordnen in einer Wand der Energiespeicherzelle, insbesondere in einer Decke einer prismatischen oder runden elektrochemischen Zelle oder in einer Wand einer elektrochemischen Pouch-Zelle, ausgebildet sein. Insbesondere kann die Sicherheitseinrichtung einen Abschnitt einer Wand der Energiespeicherzelle, in die sie eingebracht werden soll, darstellen. Alternativ kann die Sicherheitsanordnung aber auch zum Anordnen im Inneren der Energiespeicherzelle ausgebildet sein. In bestimmten Anwendungen kann die Sicherheitsanordnung zumindest teilweise integral mit der Energiespeicherzelle oder einer von deren Wänden ausgebildet sein.
Je nach der Natur der für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristischen physikalischen Größe kann der Übergang aus dem nicht ausgelösten in den ausgelösten Zustand der Auslöseeinrichtung beim Erreichen und Überschreiten oder aber beim Erreichen und Unterschreiten des vorbestimmten kritischen Parameterwerts erfolgen. Mit anderen Worten umfasst der Begriff „Erreichen” im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Natur der für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristischen physikalischen Größe entweder auch das Überschreiten oder aber das Unterschreiten des vorbestimmten kritischen Parameterwerts.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung können für eine und dieselbe Energiespeicherzelle sowohl Sicherheitsanforderungen für den Einzelzellbetrieb als auch Sicherheitsanforderungen für den Zellmodulbetrieb mit deutlich geringerem Entwicklungsaufwand als zuvor erfüllt werden. Zudem führt die sowohl hinsichtlich des Parameterwertebereichs als auch des Zeitpunkts der Parameterwerteinstellung grundsätzlich sehr hohe Flexibilität und Anpassbarkeit der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung an unterschiedliche Betriebsarten zu einer deutlichen Erhöhung der intrinsischen Sicherheit einer Einzelzelle und eines Zellmoduls. Ferner können infolgedessen auch die mit zukünftigen Zellgenerationen steigenden Energiedichten besser beherrscht werden. Das Sicherheitsniveau beim Betrieb von Energiespeicherzellen wird somit durch die vorliegende Erfindung insgesamt gesteigert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auslöseeinrichtung mittels des Schaltelements zwischen dem ersten und dem einen oder den mehreren weiteren Sicherheitszuständen kontinuierlich umschaltbar. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, alle benötigten Werte des vorbestimmten kritischen Parameterwerts bereits bei der Fertigung der Sicherheitseinrichtung auszuwählen und festzulegen. Vielmehr kann bei dieser Ausgestaltung auch ein im Voraus nicht bekannter Wert des vorbestimmten kritischen Parameterwerts nach der Fertigstellung der Sicherheitseinrichtung und/oder der Zelle bestimmt und mittels des Schaltelements eingestellt werden.
In der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung kann die Auslöseeinrichtung derart eingerichtet sein, dass der Übergang aus dem nicht ausgelösten in den ausgelösten Zustand der Auslöseeinrichtung irreversibel oder aber reversibel ist. Ein irreversibler Übergang kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn das Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts einen bleibenden Schaden in der Energiespeicherzelle verursachen könnte. Dies kann beispielsweise beim Überladen einer elektrochemischen Zelle der Fall sein. Andererseits hat ein reversibler Übergang den Vorteil, dass die Auslöseeinrichtung und damit die Sicherheitseinrichtung nach dem Auslösen des Sicherheitsmechanismus in den vorherigen Zustand zurückgeführt werden kann und daher wiederverwendbar ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristische physikalische Größe insbesondere einen elektrischen Lade- oder Entladestrom, eine elektrische Lade- oder Entladespannung oder einen Innendruck der Energiespeicherzelle angeben oder widerspiegeln. Die genannten physikalischen Größen hängen typischerweise zusammen. Beispielsweise steigen bei einer Erhöhung des Ladestroms auch die Ladespannung und der Innendruck der Zelle an.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung als eine Überladesicherheitseinrichtung ausgebildet, wobei der erste und der eine oder die mehreren weiteren Werte des vorbestimmten kritischen Parameterwerts jeweils einen einer überladenen Energiespeicherzelle entsprechenden Wert der für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristischen physikalischen Größe definieren. Diese Ausgestaltung dient dem Schutz der Energiespeicherzelle vor möglichen schädlichen Folgen eines Überladens, beispielsweise indem die Fortsetzung des Ladevorgangs durch den selbsttätigen Übergang aus dem nicht ausgelösten in den ausgelösten Zustand der Auslöseeinrichtung unterbunden wird. Nachfolgend näher dargestellte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung und Energiespeicherzelle können insbesondere zu diesem Zweck verwenden werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung weist die Auslöseeinrichtung ein bistabiles Federelement auf, dessen Vorspannung und/oder Verstärkung mittels des Schaltelements verstellbar ist. Dabei entspricht der nicht ausgelöste Zustand der Auslöseeinrichtung einem ersten stabilen Gleichgewichtszustand des bistabilen Federelements, der ausgelöste Zustand der Auslöseeinrichtung entspricht einem zweiten stabilen Gleichgewichtszustand des bistabilen Federelements und der vorbestimmte kritische Parameterwert ist ein Wert eines auf das bistabile Federelement wirkenden Innendrucks der Energiespeicherzelle.
In dieser Ausführungsform ist das bistabile Federelement derart ausgebildet, dass es beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts, d. h. beim Erreichen eines vorbestimmten kritischen Werts des auf das bistabile Federelement wirkenden Innendrucks der Energiespeicherzelle, selbsttätig aus dem ersten in den zweiten stabilen Gleichgewichtszustand übergeht. Der vorbestimmte kritische Parameterwert ist dabei durch das Verstellen der Vorspannung und/oder der Verstärkung des bistabilen Federelements mittels des Schaltelements zwischen dem ersten und dem einen oder den mehreren weiteren Werten umschaltbar.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der ersten Ausführungsform ist die Auslöseeinrichtung zumindest teilweise elektrisch leitend. Insbesondere kann das bistabile Federelement zumindest teilweise elektrisch leitend sein.
Die Energiespeicherzelle, in der die Sicherheitseinrichtung gemäß dieser Weiterbildung angeordnet ist, und die Auslöseeinrichtung sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Übergang des bistabilen Federelements aus dem ersten in den zweiten stabilen Gleichgewichtszustand ein Umleiten eines elektrischen Stroms aus einem ersten Strompfad, der durch ein Inneres der Energiespeicherzelle verläuft und zum Verändern eines Lade- und/oder Entladezustands der Energiespeicherzelle eingerichtet ist, in einen zweiten Strompfad, der zum Nichtverändern des Lade- oder Entladezustands der Energiespeicherzelle eingerichtet ist, bewirkt. Diese Wirkung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das bistabile Federelement den ersten Strompfad beim Verlassen des ersten stabilen Gleichgewichtszustands unterbricht und/oder den zweiten Strompfad beim Einnehmen des zweiten stabilen Gleichgewichtszustands schließt.
Vorzugsweise ist dabei der zweite Strompfad elektrisch mit einem Gehäuse der Energiespeicherzelle verbindbar oder verbunden, damit der elektrische Strom von der Auslöseeinrichtung beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts selbsttätig vom Inneren der Zelle auf das Gehäuse umgeleitet wird.
Bei einer spezifischen Ausgestaltung gemäß der beschriebenen ersten Ausführungsform stellt das bistabile Federelement eine gewölbte Membran dar, die einen Wandabschnitt der Zelle bildet und daher nach ihrem Anbringen an der Zelle einseitig dem Innendruck der Zelle ausgesetzt ist. Insbesondere kann die gewölbte Membran dabei einen kreisrunden oder ovalen Umfang haben. Im ersten stabilen Gleichgewichtszustand ist die gewölbte Membran auf ihrer dem Zellinneren zugewandten Seite konvex ausgebildet und klappt in den konkaven zweiten stabilen Gleichgewichtszustand um, wenn der Zellinnendruck einen vorbestimmten kritischen Parameterwert erreicht oder überschreitet. Dabei hängt der kritische Wert des Zellinnendrucks, bei dem die gewölbte Membran umklappt, von der Vorspannung und von der Stärke der Membran ab. Die Vorspannung und/oder die Stärke der Membran können wiederum mittels des erfindungsgemäßen Schaltelements verändert werden.
Das Schaltelement kann in der dargestellten ersten Ausführungsform mechanisch ausgebildet sein, insbesondere ein mechanisches Druckelement zum Ausüben eines mechanischen Anpressdrucks auf das bistabile Federelement mit einem veränderbaren Anpressdruckwert und/oder einem verstellbaren Angriffspunkt am bistabilen Federelement umfassen. Das mechanische Druckelement kann beispielsweise durch eine Schraube verwirklicht sein, die in eine Wand der Zelle hineingedreht werden kann und einen an der Membran anliegenden Seitensteg aufweist. Durch das Hineindrehen der Schraube in die Zellwand kann in diesem Beispiel der Anpressdruck und/oder der Angriffspunkt des Seitenstegs an der Membran verändert werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann das Schaltelement auch elektrisch ausgebildet sein, insbesondere ein elektrisches Anziehungs- oder Abstoßungselement zum Ausüben einer veränderbaren elektrischen Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf das bistabile Federelement umfassen. Im obigen Beispiel der gewölbten Membran kann diese hierzu zumindest teilweise elektrostatisch aufladbar oder elektrisch leitend ausgebildet sein. Das elektrische Schaltelement kann dabei ein in der Nähe der Membran angeordnetes elektrisches Anziehungs- oder Abstoßungselement umfassen, das eine elektrische Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf die Membran ausübt. Diese Kraft kann durch eine Veränderung der elektrischen Ladung oder elektrischen Spannung am elektrischen Anziehungs- oder Abstoßungselement in einer kontrollierten Weise variiert werden. Diese zusätzliche elektrische Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf die Membran verändert wiederum den kritischen Wert des Zellinnendrucks, bei dem die Membran von dem konvexen ersten stabilen Gleichgewichtszustand in den konkaven zweiten stabilen Gleichgewichtszustand umklappt.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung weist die Auslöseeinrichtung eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) auf, welche einen Abschnitt eines ersten Strompfads und einen Abschnitt eines zweiten Strompfads sowie mindestens einen elektronischen Schalter, insbesondere einen Transistor, zum Umleiten eines elektrischen Stroms aus dem ersten in den zweiten Strompfad umfasst. Dabei ist die anwendungsspezifische integrierte Schaltung derart ausgebildet, dass das Umleiten des elektrischen Stroms aus dem ersten in den zweiten Strompfad mittels des elektronischen Schalters selbsttätig beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts erfolgt und dem Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand entspricht.
In dieser Ausführungsform ist die für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristische physikalische Größe beispielsweise der elektrische Lade- oder Entladestrom der Zelle, der beim Erreichen eines vorbestimmten kritischen Werts einen Schaltvorgang des elektronischen Schalters triggert. Das erfindungsgemäße Schaltelement kann dabei ebenfalls elektronisch ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines weiteren ansteuerbaren Transistors, der den beschriebenen selbsttätigen Schaltvorgang des elektronischen Schalters in einer kontrollierten Weise beeinflussen kann.
Die Energiespeicherzelle, in der oder an der die Sicherheitseinrichtung gemäß der beschriebenen zweiten Ausführungsform angebracht ist, und die Auslöseeinrichtung sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass der erste Strompfad durch ein Inneres der Energiespeicherzelle verläuft und zum Verändern eines Lade- und/oder Entladezustands der Energiespeicherzelle eingerichtet ist und der zweite Strompfad zum Nichtverändern des Lade- oder Entladezustands der Energiespeicherzelle eingerichtet ist. Vorzugsweise ist dabei der zweite Strompfad elektrisch mit einem Gehäuse der Energiespeicherzelle verbindbar oder verbunden, damit der elektrische Strom beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts von der Auslöseeinrichtung selbsttätig vom Inneren der Zelle auf das Gehäuse umgeleitet wird.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung weist die die Auslöseeinrichtung einen Strompfadabschnitt und eine darin angeordnete Stromunterbrechungseinrichtung auf. In dieser Ausführungsform ist der vorbestimmte kritische Parameterwert ein Wert eines im Strompfadabschnitt fließenden elektrischen Stroms. Dabei ist die Stromunterbrechungseinrichtung dazu eingerichtet, den Strompfadabschnitt beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts selbsttätig zu unterbrechen, was dem Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand entspricht.
Bei einer beispielhaften Ausgestaltung gemäß der beschriebenen dritten Ausführungsform weist das Schaltelement mindestens einen aus dem Strompfadabschnitt herausnehmbaren und/oder in den Strompfadabschnitt einsetzbaren Strompfadabschnitts-Einsatzteil auf. Dabei ist ein Stromquerschnitt des Strompfadabschnitts durch das Herausnehmen und/oder das Einsetzen des mindestens einen Strompfadabschnitts-Einsatzteils derart veränderbar, dass dadurch der vorbestimmte kritische Parameterwert zwischen dem ersten und dem einen oder den mehreren weiteren Werten umschaltbar ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Ausgestaltung sind mindestens zwei aus dem Strompfadabschnitt herausnehmbare und in den Strompfadabschnitt einsetzbare Strompfadabschnitts-Einsatzteile mit jeweils verschiedenen Stromquerschnitten vorgesehen, die im Strompfadabschnitt gegeneinander ausgetauscht werden können. Alternativ oder zusätzlich kann der Strompfadabschnitt derart ausgebildet sein, dass er mehrere parallel zueinander, insbesondere aufeinander, gestapelte Strompfadabschnitts-Einsatzteile aufnehmen kann, wobei das Einsetzen eines jeden weiteren Strompfadabschnitts-Einsatzteils den Stromquerschnitt des Strompfadabschnitts um den Stromquerschnitt des hinzugefügten Strompfadabschnitts-Einsatzteils vergrößert.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung weist die Auslöseeinrichtung mindestens ein schaltbares Ventil zum Herstellen oder Unterbrechen einer Verbindung zwischen einem Inneren und einem Äußeren der Energiespeicherzelle auf. Dabei weist das mindestens eine schaltbare Ventil eine Ventilbetätigungseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts das schaltbare Ventil zu öffnen und dadurch eine Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Energiespeicherzelle herzustellen, was dem Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand entspricht.
In dieser Ausführungsform können das mindestens eine schaltbare Ventil und dessen Ventilbetätigungseinrichtung beispielsweise auf der Basis der Mikrosystemtechnik ausgebildet sein.
In einer spezifischen Ausgestaltung kann das mindestens eine schaltbare Ventil einen Verbindungskanal zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Energiespeicherzelle umfassen, wobei die Ventilbetätigungseinrichtung ein Piezoelement aufweist. Beim Erreichen oder Überschreiten des vorbestimmten kritischen Parameterwerts, der ein Wert einer am Piezoelement anliegenden elektrischen Spannung ist, wobei die Spannung von einer für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristischen physikalischen Größe abhängt, führt eine entsprechende Stauchung des Piezoelements zu einem selbsttätigen Öffnen des Verbindungskanals. Das erfindungsgemäße Schaltelement kann bei dieser Ausgestaltung eine externe elektrische Ansteuerung des Piezoelements darstellen, mittels deren der kritische Wert der am Piezoelement anliegenden elektrischen Spannung, bei dem die Stauchung zum Öffnen des Verbindungskanals ausreicht, verändert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeicherzelle für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, die eine Sicherheitseinrichtung gemäß dem oben dargestellten ersteren Aspekt umfasst.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle das Schaltelement von außerhalb der Energiespeicherzelle betätigbar. Bei dieser Ausgestaltung kann der vorbestimmte kritische Parameterwert mittels des Schaltelements eingestellt und zwischen verschiedenen Werten umgeschaltet werden, nachdem die Sicherheitseinrichtung bereits in der Energiespeicherzelle eingebaut ist. Mit anderen Worten erfordert der Umschaltvorgang des Schaltelements kein Öffnen der Energiespeicherzelle und kann daher komfortabel und grundsätzlich zu einem beliebigen Zeitpunkt vorgenommen werden.
Die Energiespeicherzelle kann insbesondere eine elektrochemische Energiespeicherzelle sein.
Ferner können in einer Energiespeicherzelle zwei oder mehr gleichartige oder verschiedenartige Sicherheitseinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, was vor allem bei elektrochemischen Zellen wegen der vielfältigen Sicherheitsanforderungen von Vorteil ist. Insbesondere kann dabei eine sogenannte Kaskadensicherung der Energiespeicherzelle dadurch erreicht werden, dass die vorbestimmten kritischen Parameterwerte der einzelnen Sicherheitseinrichtungen derart gegeneinander verschoben sind, dass sie verschiedene Stadien einer Gefährdung, etwa Überladung, der Energiespeicherzelle definieren. Alternativ oder zusätzlich können die vorbestimmten kritischen Parameterwerte der jeweiligen verschiedenen Sicherheitseinrichtungen Werte jeweils verschiedener für den Betrieb der Energiespeicherzelle charakteristischer physikalischer Größen sein. Weiterhin kann die Energiespeicherzelle neben einer oder mehreren erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtungen auch konventionelle Sicherheitseinrichtungen, wie z. B. eine nicht schaltbare selbsttätig öffnende Entgasungsöffnung (vent) bei elektrochemischen Zellen, aufweisen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Die Figuren sind als schematische Darstellungen zu verstehen und insbesondere nicht als maßstabsgetreu zu lesen. Gleiche oder ähnliche Elemente sind darin jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Energiespeicherzelle mit einer Sicherheitseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
2a eine Querschnittsdarstellung eines in 1 gezeigten bistabilen Federelements in seinem ersten stabilen Gleichgewichtszustand;
2b eine Querschnittsdarstellung des in 1 gezeigten bistabilen Federelements in seinem zweiten stabilen Gleichgewichtszustand;
3a ein Beispiel eines in 1 gezeigten Schaltelements in einer Querschnittsdarstellung;
3b eine Draufsicht auf das in 3a gezeigte Schaltelement;
3c ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkung des in 3a und 3b gezeigten Schaltelements;
3d eine Querschnittsdarstellung der in 1 gezeigten Energiespeicherzelle;
4a eine Draufsicht auf eine konventionelle Stromunterbrechungseinrichtung;
4b eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Sicherheitseinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
4c eine Querschnittsdarstellung der in 4b gezeigten Sicherheitseinrichtung;
5a eine Draufsicht auf eine Energiespeicherzelle mit einer Sicherheitseinrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung;
5b eine Querschnittsdarstellung der in 5a gezeigten Energiespeicherzelle;
5c eine Querschnittsdarstellung eines Beispiels der in 5a und 5b gezeigten Sicherheitseinrichtung;
5d eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines weiteren Beispiels der in 5a und 5b gezeigten Sicherheitseinrichtung.
Die in den Figuren schematisch dargestellte Energiespeicherzelle 1 bzw. Sicherheitseinrichtung 2 für eine Energiespeicherzelle kann in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs wie etwa eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, Verwendung finden.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Energiespeicherzelle 1 mit einer Sicherheitseinrichtung 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Die Energiespeicherzelle 1 ist dabei rein beispielhaft eine prismatische elektrochemische Zelle 1. Sie weist in ihrem Deckel 3 neben der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung 2 eine konventionelle Entgasungsöffnung (vent) 4 auf, die sich bei einem Überdruck im Inneren der Zelle 1 selbsttätig öffnen kann.
Die Sicherheitseinrichtung 2 weist eine gewölbte Membran 5 auf, die ein bistabiles Federelement einer Auslöseeinrichtung im Sinne der Erfindung darstellt Rein beispielhaft hat die Membran 5 in diesem Beispiel einen kreisrunden Umfang.
Die gewölbte Membran 5 bildet einen Deckelabschnitt der Zelle 1 und ist daher auf ihrer dem Zellinneren zugewandten Seite einem Innendruck p der Zelle 1 ausgesetzt. Dies ist in einer in 2a gezeigten Querschnittsdarstellung der Membran 5 mit einem Pfeil veranschaulicht.
In einem in 1 und 2a dargestellten ersten stabilen Gleichgewichtszustand der gewölbten Membran 5 ist sie auf ihrer dem Zellinneren zugewandten Seite konvex ausgebildet. Aufgrund ihrer Wölbung und ihrer Ausgestaltung aus einem bei einer Verformung in gewissen Grenzen federnden Material wie einem Metall, kann die Membran 5 bei einem den Umgebungsdruck übersteigenden Innendruck p der Zelle 1 eine gewisse Federwirkung aufbringen. Diese Federwirkung wirkt dem Innendruck der Zelle 1 bis zu einem kritischen Wert p_k des Innendrucks entgegen.
Wie in 2b dargestellt, klappt die gewölbte Membran 5 beim Erreichen oder Überschreiten des kritischen Werts p_k des Innendrucks der Zelle 1 in einen bezüglich des Zellinneren konkaven zweiten stabilen Gleichgewichtszustand um.
Der kritische Wert p_k des Innendrucks der Zelle 1 ist der vorbestimmte kritische Parameterwert im Sinne der Erfindung. Er hängt von der Vorspannung und von der Stärke der gewölbten Membran 5 ab. Die Vorspannung und/oder die Stärke der Membran 5 können wiederum mittels des Schaltelements 6 verändert werden, das in 1 rein schematisch dargestellt ist.
3a zeigt ein schematisches Beispiel des in 1 gezeigten Schaltelements 6 in einer Querschnittsdarstellung.
Das Schaltelement 6 weist in 3a eine Schraube 7 mit einem Seitensteg 8 auf, die ein mechanisches Druckelement im Sinne der Erfindung zum Ausüben eines mechanischen Anpressdrucks auf die gewölbte Membran 5 darstellen. Die Schraube 7 kann in den Deckel 3 der Zelle 1 hineingedreht werden und der Seitensteg 8 liegt zumindest bei manchen Positionen der Schraube 7 an der gewölbten Membran 5 an. Durch das Hinein- oder Herausdrehen der Schraube 7 im Deckel 3 können in diesem Beispiel sowohl der Anpressdruck als auch der Angriffspunkt des Seitenstegs 8 an der Membran 5 verändert werden.
Dies ist in der in 3b gezeigten Draufsicht auf das in 3a dargestellte Schaltelement 6 zusätzlich veranschaulicht. 3b zeigt beispielhaft drei verschiedene Positionen A, B und C der Schraube 7 und deren Seitenstegs 8. Dabei entspricht die Position A einem am Weitesten zur Mitte der gewölbten Membran 5 liegenden Angriffspunkt des Seitenstegs 8, was wegen der Wölbung der Membran 5 zugleich den stärksten Anpressdruck bedeutet, wie in 3a erkennbar ist. In der Position C berührt der Seitensteg 8 die Membran 5 nicht und hat daher keine Druckwirkung auf sie, während die Position B zwischen den Positionen A und C liegt und daher einem im Vergleich zur Position A geringeren Anpressdruck auf die Membran 5 entspricht.
3c zeigt ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Wirkung des in 3a und 3b gezeigten Schaltelements 6 auf das Auslöseverhalten der gewölbten Membran 5. Die Positionen z₀ und z₁ eines Scheitelpunkts der gewölbten Membran 5, die deren erstem und zweitem stabilen Gleichgewichtszustand entsprechen, sind auch in 2a und 2b eingezeichnet und auf der z-Achse eingetragen. Der selbsttätige Übergang aus dem ersten in den zweiten stabilen Gleichgewichtszustand, d. h. das Umklappen der Membran 5, erfolgt bei der Position C der Schraube 7 allein unter der Wirkung des Zellinnendrucks p. Die entsprechende Druckdifferenz Δp₁ zwischen dem kritischen Zellinnendruck p_k und dem Umgebungsdruck ist daher relativ groß. Demgegenüber genügt bei der Position A der Schraube 7, in der der Seitensteg 8 die stärkste Anpresskraft auf die Membran 5 ausübt, bereits eine deutlich geringere Druckdifferenz Δp₂ zwischen dem kritischen Zellinnendruck p_k und dem Umgebungsdruck, um die gewölbte Membran 5 in den konkaven Zustand umzuklappen.
Insbesondere ist in diesem Beispiel eines Schaltelements 6, das eine Schraube 7 umfasst, eine kontinuierliche Einstellung des kritischen Zellinnendruck p_k, d. h. des vorgegebenen kritischen Parameterwerts im Sinne der Erfindung, möglich.
Wie in 3a ebenfalls angedeutet, kann das Schaltelement 6 alternativ oder zusätzlich hierzu auch ein elektrisches Anziehungs- oder Abstoßungselement 9 zum Ausüben einer veränderbaren elektrischen Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf die gewölbte Membran 5 aufweisen. In diesem Beispiel ist die gewölbte Membran zumindest teilweise elektrostatisch aufladbar oder elektrisch leitend ausgebildet, etwa metallisch. Das in 3a nah an der unteren Membranoberfläche verlaufende elektrische Anziehungs- oder Abstoßungselement 9 kann eine kontrollierbare elektrische Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf die Membran ausüben. Diese Kraft kann beispielsweise durch eine Veränderung der elektrischen Ladung oder elektrischen Spannung am elektrischen Anziehungs- oder Abstoßungselement 9 in einer kontrollierten Weise variiert werden. Diese zusätzliche elektrische Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf die Membran 5 verändert wiederum den kritischen Wert p_k des Zellinnendrucks, bei dem die Membran von dem konvexen ersten stabilen Gleichgewichtszustand in den konkaven zweiten stabilen Gleichgewichtszustand umklappt.
3d zeigt eine Querschnittsdarstellung der in 1 gezeigten Energiespeicherzelle mit der gewölbten Membran 5 nach dem Umklappen in den konkaven zweiten stabilen Gleichgewichtszustand.
Dabei ist die Membran 5 elektrisch leitend, etwa metallisch ausgebildet. Der Deckel 3 der Zelle 1 weist ebenfalls einen elektrisch leitenden Gehäuseabschnitt 10 auf, der über der Membran 5 überhängt und an den sich die Membran 5 in ihrem konkaven zweiten stabilen Gleichgewichtszustand andrückt. Der Gehäuseabschnitt 10 ist mit einem Pluspol der Zelle 1 verbunden und vom restlichen, mit einem Minuspol verbundenen Gehäuse bzw. Deckel 3 der Zelle 1 durch elektrisch isolierende Abschnitte 11 elektrisch getrennt. Die Zelle 1 ist dabei derart ausgebildet, dass das Umklappen der Membran 5 ein Umleiten eines elektrischen Stroms aus einem ersten Strompfad, der durch ein Inneres der Zelle 1 verläuft und zum Verändern eines Lade- und/oder Entladezustands der Zelle 1 eingerichtet ist, in einen zweiten Strompfad, der durch den Gehäuseabschnitt 10 verläuft und zum Nichtverändern des Lade- oder Entladezustands der Zelle 1 eingerichtet ist, bewirkt. Diese Wirkung wird dadurch erreicht, dass die gewölbte Membran 5 den ersten Strompfad beim Verlassen des ersten stabilen Gleichgewichtszustands unterbricht und den zweiten Strompfad beim Einnehmen des zweiten stabilen Gleichgewichtszustands schließt.
Somit wird der elektrische Strom durch das selbsttätige Umklappen der Membran 5 vom Inneren der Zelle 1 auf deren Gehäuse umgeleitet.
4a zeigt eine Draufsicht auf eine konventionelle Stromunterbrechungseinrichtung, die einen Strompfadabschnitt 12 mit einem durch ein Loch 13 verringerten Stromquerschnitt darstellt. Im Bereich des verringerten Stromquerschnitts brennt der Strompfadabschnitt 12 beim Erreichen eines kritischen Stromwerts I_k durch und wird somit unterbrochen.
4b zeigt eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Sicherheitseinrichtung 14 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
Die dargestellte Sicherheitseinrichtung 14 bzw. deren Auslöseeinrichtung weist einen Strompfadabschnitt 15 und eine darin angeordnete Stromunterbrechungseinrichtung 16 auf. Ähnlich zur 4a weist die Stromunterbrechungseinrichtung 16 einen durch ein Loch 17 oder andere Ausnehmungen verringerten Stromquerschnitt auf, in dessen Bereich der Strompfadabschnitt 15 beim Erreichen oder Überschreiten eines kritischen Stromwerts I_k des im Strompfadabschnitt 15 fließenden elektrischen Stroms durchbrennt und somit selbsttätig unterbrochen wird. Der kritische Stromwert I_k ist der vorbestimmte kritische Parameterwert im Sinne der Erfindung, wobei der elektrische Strom etwa ein Lade- oder Entladestrom der Zelle 1 sein kann.
In der in 4b gezeigten Draufsicht und in der in 4c gezeigten Querschnittsdarstellung ist in der Stromunterbrechungseinrichtung 16 ein Strompfadabschnitts-Einsatzteil 18 zu sehen, der aus dem Strompfadabschnitt 15 herausnehmbar ist. Durch das Herausnehmen oder das Einsetzen des Strompfadabschnitts-Einsatzteils 18 wird der Stromquerschnitt des Strompfadabschnitts 15 und damit der kritische Stromwert I_k verändert. Der Strompfadabschnitts-Einsatzteil 18 bildet somit ein Schaltelement im Sinne der Erfindung.
Vorzugsweise sind mindestens zwei aus dem Strompfadabschnitt 15 herausnehmbare und in den Strompfadabschnitt 15 einsetzbare Strompfadabschnitts-Einsatzteile 18 mit jeweils verschiedenen Stromquerschnitten vorgesehen, die im Strompfadabschnitt 15 gegeneinander ausgetauscht werden können. Alternativ oder zusätzlich kann der Strompfadabschnitt 15 derart ausgebildet sein, dass er mehrere parallel zueinander, insbesondere aufeinander gestapelte Strompfadabschnitts-Einsatzteile 18 aufnehmen kann, wobei das Einsetzen eines jeden weiteren Strompfadabschnitts-Einsatzteils 18 den Stromquerschnitt des Strompfadabschnitts 15 um den Stromquerschnitt des hinzugefügten Strompfadabschnitts-Einsatzteils 18 vergrößert.
5a zeigt rein schematisch eine Draufsicht auf eine Energiespeicherzelle 1 mit einer Sicherheitseinrichtung 2 gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung. Ähnlich wie in 1 ist die Energiespeicherzelle 1 eine prismatische elektrochemische Zelle 1 und die Sicherheitseinrichtung 2 ist in deren Deckel 3 angeordnet. In 5b ist eine Querschnittsdarstellung der in 5a gezeigten Zelle 1 zu sehen.
Die Sicherheitseinrichtung 2 bzw. deren Auslöseeinrichtung weist dabei mindestens ein schaltbares Ventil 19 zum Herstellen oder Unterbrechen einer Verbindung zwischen einem Inneren und einem Äußeren der Zelle 1 auf. Beispiele hierfür sind in 5c und 5d gezeigt.
In 5c ist in einer Querschnittsdarstellung eine in 5a und 5b gezeigte Sicherheitseinrichtung 2 auf der Basis der Mikrosystemtechnik mit mehreren schaltbaren Ventilen 19 angedeutet.
5d zeigt eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Beispiels der in 5a und 5b gezeigten Sicherheitseinrichtung 2 unter Verwendung eines Piezoelements 20 in einer Ventilbetätigungseinrichtung des schaltbaren Ventils 19.
Das schaltbare Ventil 19 weist einen Verbindungskanal 21 zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle 1 auf. Der Verbindungskanal 21 ist vom Piezoelement 20 verschlossen, wenn dessen untere Kante etwa in einer in 5d durch gestrichelte Linien angedeuteten Position z₀ ist. Beim Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten kritischen Parameterwerts, der ein Wert einer am Piezoelement 20 mittels eines Kondensators 22 anliegenden elektrischen Spannung ist, die wiederum von einer für den Betrieb der Zelle 1 charakteristischen physikalischen Größe abhängt, verschiebt sich die untere Kante des Piezoelements 20 aufgrund seiner Stauchung nach oben, beispielsweise in die in 5d angedeutete Position z₁. In dieser Position ist der Verbindungskanal 21 offen.
Das erfindungsgemäße Schaltelement kann bei dieser Ausgestaltung eine externe elektrische Ansteuerung des Kondensators 22 darstellen, mittels derer der kritische Wert der am Piezoelement 20 anliegenden elektrischen Spannung, bei dem die Stauchung zum Öffnen des Verbindungskanals 21 ausreicht, verändert werden kann.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung zum Einsatz kommen.

Claims

Sicherheitseinrichtung (2) für eine Energiespeicherzelle (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, wobei die Sicherheitseinrichtung (2) eine Auslöseeinrichtung aufweist, die einen nicht ausgelösten Zustand und einen von diesem verschiedenen ausgelösten Zustand einnehmen kann, wobei die Auslöseeinrichtung dazu eingerichtet ist, beim Erreichen eines vorbestimmten kritischen Parameterwerts, der ein Wert einer für den Betrieb der Energiespeicherzelle (1) charakteristischen physikalischen Größe ist, selbsttätig aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand überzugehen, und die Sicherheitseinrichtung (2) ferner ein Schaltelement (6) aufweist, mittels dessen die Auslöseeinrichtung zwischen einem ersten Sicherheitszustand und einem oder mehreren weiteren Sicherheitszuständen der Auslöseeinrichtung umschaltbar ist, wobei der vorbestimmte kritische Parameterwert im ersten Sicherheitszustand der Auslöseeinrichtung einem ersten Wert gleich ist und in dem einen oder den mehreren weiteren Sicherheitszuständen der Auslöseeinrichtung jeweils einem weiteren Wert gleich ist, wobei der eine oder die mehreren weiteren Werte des vorbestimmten kritischen Parameterwerts sowohl vom ersten Wert als auch untereinander verschieden sind.
Sicherheitseinrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die Auslöseeinrichtung mittels des Schaltelements (6) zwischen dem ersten und dem einen oder den mehreren weiteren Sicherheitszuständen kontinuierlich umschaltbar ist.
Sicherheitseinrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die für den Betrieb der Energiespeicherzelle (1) charakteristische physikalische Größe einen elektrischen Lade- oder Entladestrom, eine elektrische Lade- oder Entladespannung oder einen Innendruck der Energiespeicherzelle (1) angibt.
Sicherheitseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Überladesicherheitseinrichtung ist, wobei der erste und der eine oder die mehreren weiteren Werte des vorbestimmten kritischen Parameterwerts jeweils einen einer überladenen Energiespeicherzelle (1) entsprechenden Wert der für den Betrieb der Energiespeicherzelle (1) charakteristischen physikalischen Größe definieren.
Sicherheitseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auslöseeinrichtung ein bistabiles Federelement (5) aufweist, dessen Vorspannung und/oder Verstärkung mittels des Schaltelements (6) verstellbar ist, wobei der nicht ausgelöste Zustand der Auslöseeinrichtung einem ersten stabilen Gleichgewichtszustand des bistabilen Federelements (5) entspricht, der ausgelöste Zustand der Auslöseeinrichtung einem zweiten stabilen Gleichgewichtszustand des bistabilen Federelements (5) entspricht und der vorbestimmte kritische Parameterwert ein Wert eines auf das bistabile Federelement (5) wirkenden Innendrucks (p) der Energiespeicherzelle (1) ist, wobei das bistabile Federelement (5) derart ausgebildet ist, dass es beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts selbsttätig aus dem ersten in den zweiten stabilen Gleichgewichtszustand übergeht, wobei der vorbestimmte kritische Parameterwert durch das Verstellen der Vorspannung und/oder der Verstärkung des bistabilen Federelements (5) mittels des Schaltelements (6) zwischen dem ersten und dem einen oder den mehreren weiteren Werten umschaltbar ist.
Sicherheitseinrichtung (2) nach Anspruch 5, wobei das Schaltelement (6) mechanisch ausgebildet ist, insbesondere ein mechanisches Druckelement (7, 8) zum Ausüben eines mechanischen Anpressdrucks auf das bistabile Federelement (5) mit einem veränderbaren Anpressdruckwert und/oder einem verstellbaren Angriffspunkt am bistabilen Federelement (5) umfasst, und/oder das Schaltelement (6) elektrisch ausgebildet ist, insbesondere ein elektrisches Anziehungs- oder Abstoßungselement (9) zum Ausüben einer veränderbaren elektrischen Anziehungs- oder Abstoßungskraft auf das bistabile Federelement (5) umfasst.
Sicherheitseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auslöseeinrichtung eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) aufweist, welche einen Abschnitt eines ersten Strompfads und einen Abschnitt eines zweiten Strompfads sowie mindestens einen elektronischen Schalter, insbesondere einen Transistor, zum Umleiten eines elektrischen Stroms aus dem ersten in den zweiten Strompfad umfasst, wobei die anwendungsspezifische integrierte Schaltung derart ausgebildet ist, dass das Umleiten des elektrischen Stroms aus dem ersten in den zweiten Strompfad mittels des elektronischen Schalters selbsttätig beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts erfolgt und dem Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand entspricht.
Sicherheitseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auslöseeinrichtung einen Strompfadabschnitt (15) und eine darin angeordnete Stromunterbrechungseinrichtung (16) aufweist und der vorbestimmte kritische Parameterwert ein Wert eines im Strompfadabschnitt (15) fließenden elektrischen Stroms (I) ist, wobei die Stromunterbrechungseinrichtung (16) dazu eingerichtet ist, den Strompfadabschnitt (15) beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts zu unterbrechen, was dem Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand entspricht.
Sicherheitseinrichtung (2) nach Anspruch 8, wobei das Schaltelement mindestens einen aus dem Strompfadabschnitt (15) herausnehmbaren und/oder in den Strompfadabschnitt (15) einsetzbaren Strompfadabschnitts-Einsatzteil (18) aufweist und ein Stromquerschnitt des Strompfadabschnitts (15) durch das Herausnehmen und/oder das Einsetzen des mindestens einen Strompfadabschnitts-Einsatzteils (18) derart veränderbar ist, dass dadurch der vorbestimmte kritische Parameterwert zwischen dem ersten und dem einen oder den mehreren weiteren Werten umschaltbar ist.
Sicherheitseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auslöseeinrichtung mindestens ein schaltbares Ventil (19) zum Herstellen oder Unterbrechen einer Verbindung zwischen einem Inneren und einem Äußeren der Energiespeicherzelle (1) aufweist, wobei das mindestens eine schaltbare Ventil (19) eine Ventilbetätigungseinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, beim Erreichen des vorbestimmten kritischen Parameterwerts das schaltbare Ventil (19) zu öffnen und dadurch eine Verbindung zwischen dem Inneren und dem Außeren der Energiespeicherzelle (1) herzustellen, was dem Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand entspricht.
Energiespeicherzelle (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, die eine Sicherheitseinrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Energiespeicherzelle (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, die eine Sicherheitseinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, wobei die Auslöseeinrichtung der Sicherheitseinrichtung (2) zumindest teilweise elektrisch leitend ist und die Auslöseeinrichtung und die Energiespeicherzelle (1) derart ausgebildet sind, dass der Übergang der Auslöseeinrichtung aus dem nicht ausgelösten Zustand in den ausgelösten Zustand ein Umleiten eines elektrischen Stroms aus einem ersten Strompfad, der durch ein Inneres der Energiespeicherzelle (1) verläuft und zum Verändern eines Lade- und/oder Entladezustands der Energiespeicherzelle (1) eingerichtet ist, in einen zweiten Strompfad, der zum Nichtverändern des Lade- oder Entladezustands der Energiespeicherzelle (1) eingerichtet ist, bewirkt.
Energiespeicherzelle (1) nach Anspruch 12, wobei der zweite Strompfad elektrisch mit einem Gehäuse (10) der Energiespeicherzelle (1) verbindbar oder verbunden ist.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Schaltelement (6) von außerhalb der Energiespeicherzelle (1) betätigbar ist.
Energiespeicherzelle (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, die eine elektrochemische Energiespeicherzelle ist.