高电压热熔断器

技术领域

本发明涉及一种用于能量存储设备中的电池模块或能量存储设备与另一系统、系统、交通工具之间的两个汇流条的电气和机械连接的设备、一种其中具有灭火液体的容器在这种设备中的使用、以及一种具有用于中断这种设备中的电气和机械连接的被动熔断器的连接模块的使用。

背景技术

模块连接器和汇流条在现有技术中通常是已知的。例如，模块连接器用于将电池模块彼此连接。互连的电池模块形成电池或能量存储设备。例如，每个电池模块(也称为电池单元模块)包括12个60Ah的电池单元。例如，电池模块布置在电动交通工具的壳体托盘中。电池模块用作电动交通工具的能量存储。汇流条进而将互连的电池模块连接到电池管理系统、充电接口或驱动单元的接口。

对电动交通工具中的能量存储设备提出了很高的安全要求。在能量存储设备内发生意外反应的情况下，需要采取特殊的安全措施来降低对乘员的风险。

在此上下文中，现在显然需要进一步改进这种模块连接器，特别是进一步需要提供一种成本有效且安全的模块连接器。因此，本发明的任务是提供一种改进的模块连接器，具体地，本发明的任务是提供一种尽可能成本有效且安全的模块连接器。

通过独立权利要求的主题解决了在阅读以下描述时仍然提及的或者本领域技术人员可以认识到的这些和其他任务。从属权利要求以特别有利的方式进一步塑造了本发明的中心思想。

发明内容

根据本发明的用于电气和机械地连接能量存储设备中的电池模块或能量存储设备与另一系统之间的两个汇流条的设备，包括具有第一接口的第一连接元件，其中第一接口被配置成用于电气和机械地连接到能量存储设备中的第一电池模块或连接到能量存储设备的第一汇流条；具有第二接口的第二连接元件，其中第二接口被配置成用于电气和机械地连接到能量存储设备中的第二电池模块或连接到另一系统的第二汇流条；连接模块，其中连接模块被配置成用于提供第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域之间的电气和机械连接；其中连接模块进一步被配置成用于当达到触发温度时被动地打开第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域之间的电气和机械连接。

在本实例中，电连接意味着第一电池模块的极(例如正极)与第二电池模块的极(例如对应的负极)的导电连接，用于传输电流。电连接可用于连接或互连若干电池模块，并且因此增加包括相应的电池模块的能量存储设备的容量。此外，在本实例中，电连接意味着第一汇流条(或功率轨)的导电连接，第一汇流条(或功率轨)连接到电动交通工具的能量存储设备，并连接到连接到另一系统的第二汇流条(或功率轨)。另一系统是例如电池管理系统、充电接口、到电动交通工具中的驱动单元的接口或另一个能量存储设备。在本实例中，机械连接意味着经由一个或多个机械元件(例如汇流条)来实现电气连接。机械连接还用于经由电池模块和/或能量存储设备与其他/另一系统之间的热传导来传递热。打开机械连接会中断经由热传导的热传递。打开机械连接会中断电气连接。术语汇流条是指由刚性材料(诸如铜)制成的电流导体。汇流条可以在一个或多个部分中。应当注意，第一汇流条和第二汇流条也可以是单个汇流条的第一部分和第二部分。除了电，汇流条还可以传递热。在本实例中，术语电池模块指的是被设计成连接到另一能量存储设备的能量存储设备。优选地，术语电池模块是指包括若干袋状电池单元的能量存储设备。术语连接元件在这里要被广义地理解，并且包括被设置成将两个元件彼此连接的所有机械元件。连接元件可以具有不同的几何形状。例如，连接元件可以具有杆形几何形状、弧形几何形状、三角形几何形状或梯形几何形状。连接元件可以例如具有圆柱形、正方形、矩形、多边形或椭圆形横截面。连接元件可以在连接元件的长度上具有恒定或可变的横截面(或材料厚度)。连接元件用作传递电和热的装置，其中热从电池模块中散发。连接元件可以由任何导电材料制成。例如，连接元件由铜、具有锡涂层的铝或具有镍涂层的铝制成。术语接口在这里应被广义地理解，并且意味着机械接口，例如通孔横档、开槽孔，它们中的每一个都可以用对应的螺钉连接到电池模块的极。例如，机械接口也可以设计为用于夹紧设备的接触面，该夹紧设备通过力配合将连接元件连接到端子。术语连接区域在本实例中应被广泛理解，并且包括连接元件的机械区域。例如，连接区域布置与接口相对。例如，连接区域被设计为平坦区域，该平坦区域可通过对应的对应物访问并且被设置成与对应的对应物形成力配合/摩擦锁定连接(例如夹紧)。例如，连接区域与连接元件的除接口之外的剩余区域具有相同的横截面。例如，连接区域具有矩形横截面和矩形的且平坦的连接表面。换句话说，连接区域可以是汇流条的部分区域，该部分区域用于夹紧。术语连接模块在这里应被广义地理解，并且意味着机械组件，其被设计成在两个连接区域之间建立电气和机械连接，并且当达到触发温度时被动地打开和/或释放电气和机械连接。优选地，连接区域在空间上彼此分开布置。在本实例中，术语被动打开意味着没有外部能量必须被添加用于打开，并且没有主动激活。此外，被动意味着打开是自动和独立的。术语触发温度意味着预定温度，例如140℃或170℃，在该温度处可以推断电池模块中的故障。当达到触发温度时，连接模块打开第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域之间的连接。例如，连接模块被设计成具有温度相关安全机构的机械设备。该机械设备包括例如弹簧机构、电缆牵引系统、夹紧机构或齿轮机构，用于提供电气和机械连接并用于打开电气和机械连接。被动打开例如经由温度敏感材料发生，其中材料可以是固体或液体。温度敏感材料可以具有正的或负的热膨胀系数。

本发明基于这样的认识，即在电池模块内发生短路、预期的热反应和/或不期望的化学反应的情况下，存在该事件将扩散到相邻电池模块的巨大风险。高温和/或过高的电流经由连接元件传递到相邻连接的电池模块。这可导致热链式反应，其可最终导致能量存储设备的火灾和/或爆炸。由于对交通工具乘员的生命和肢体的高风险，因此当初始事件发生(即第一电池模块故障)时，有必要尽可能长时间地延迟这种热链式反应或火灾和/或爆炸，以便乘员能够到达安全地带。例如，这种初始事件可以由交通事故或电池单元内部的意外化学反应触发。问题是，作为交通事故的结果，不仅电池模块的部件会被损坏，而且控制件、致动器、能量和控制线也会被损坏，使得电气和机械连接的主动打开可能不再可能。本发明通过提供一种连接模块来解决该问题，该连接模块被设置成在第一电池模块的第一连接元件的第一连接区域和第二电池模块的第二连接元件的第二连接区域之间被动地提供低于触发温度的电气和机械连接。这确保了电池在正常条件下的操作。当达到触发温度时，被动安全机构被触发，其以使得交通工具的整个能量存储设备的热传播(即热失控)被延迟的方式打开第一电池模块的第一连接元件的第一连接区域和第二电池模块的第二连接元件的第二连接区域之间的电气和机械连接。这可以有利地给交通工具的乘员时间以离开交通工具。换句话说，本发明是一种用于高电压系统的热熔断器。

优选地，连接模块包括被动安全元件，该被动安全元件被设置为在温度极限处触发，使得第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域之间的电气和机械连接打开。术语被动安全元件应被广义地理解，并且意味着设置成在没有外部能量供应或控制的情况下触发安全机构的安全元件。被动安全元件包括例如温度敏感材料。例如，当温度改变时，温度敏感材料改变其体积。例如，温度敏感材料具有正的热膨胀系数，并且是布置在玻璃容器(诸如安瓿)中的液体。当达到触发温度时，玻璃容器爆裂，被动地触发安全机构。例如，温度敏感材料具有负的热膨胀系数，并且是固体。例如，当达到触发温度时，释放夹具，其被动地触发锁定机构。有利地，这使得能够独立于更高水平的控制系统和/或能量系统，可靠地确保第一连接元件和第二连接元件之间的连接的打开。

优选地，被动安全元件包括具有液体的容器，该容器被设计成当达到触发温度时爆裂。优选地，容器是根据EP 2630994、EP 3360605、美国专利第9,579,531号、美国专利第9,821,181号、美国专利第9,889,324号和/或KR 20130097674的具有液体的爆裂容器。液体可以是例如哈龙、氟化酮或全氟化乙基异丙酮。可以选择液体，使得在某一极限温度下，液体以使得爆裂容器爆裂或破裂的方式膨胀。液体可以有利地经历相变并变成气态，这显著增加体积并因此增加膨胀速度。这可以有利地确保液体分布在第一和第二连接区域周围。

优选地，连接模块包括第三连接元件，该第三连接元件被设置成电气和机械地连接到第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域。例如，第三连接元件例如由铜制成。第三连接元件具有例如圆形、椭圆形、正方形、矩形或多边形的横截面。优选地，第三连接元件具有矩形横截面。优选地，第三连接元件具有与第一和第二连接元件相似的横截面。优选地，第三连接元件摩擦锁定到第一连接元件和第二连接元件。第三连接元件可有利地用于在第一电池模块和两个电池模块之间提供高电流。经由安全元件，例如以提供电气和机械连接这样的方式，将第三连接元件压靠在第一连接元件和连接元件上。换句话说，高电流不是经由安全元件传导的，而是经由第三连接元件传导的。

优选地，连接模块包括弹簧机构，该弹簧机构被配置成用于在第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域之间提供电气和机械连接。弹簧机构确保三个连接元件和锁定元件的简化组装和安全组装。有利地，安全元件可以经由弹簧机构而不会通过例如过盈配合损坏它可靠地与第三连接元件进行力配合接合。此外，弹簧机构可以有利地补偿制造和/或组装公差。此外，当经由锁定元件预张紧时，弹簧机构可以有利地被动释放或再次打开。

优选地，弹簧机构经由容器以这样的方式预张紧，该方式使得第三连接元件压靠第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域。这可靠地实现了第一电池模块和第二电池模块之间的电气和机械连接，当通过使安全元件或保持器爆裂而达到触发温度时，第二电池模块再次打开。

优选地，连接模块包括具有至少一个开口的壳体，其中当达到触发温度时，壳体以这样的方式关闭至少一个开口，该方式使得第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域以及释放的液体相对于环境被封闭，使得液体不能从壳体逸出，并且可以覆盖第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域以熄灭电弧。热气体或热气流可以通过壳体中的至少一个开口到达连接模块的附近。热气体或热气流是由故障导致的电池模块温度升高引起的。开口可以对连接模块的反应时间产生积极的影响，因为壳体在达到触发温度之前不必被完全加热。这意味着电气和机械连接可以更快地被动打开。当彼此连接的两个电池模块之间的连接被打开时，直流导体会产生电弧，从而阻止电连接打开，并因此会引发或加剧热失控。然后，释放的液体可以有利地抵消产生的电弧，并且因此分离或打开电气和热连接，以防止或延迟热失控。例如，壳体可以设计成当达到触发温度时，它被动地再次闭合开口。这可以例如经由滑块结构来实现，滑块结构也经由被动安全元件来触发。壳体可以设计在一个或多个部分中。在多部分设计的情况下，壳体可以例如使用插入式连接、螺钉连接、粘合连接和/或焊接连接来安装。

优选地，该液体是灭火液体。有利地，这可以更好地抵消电弧。

优选地，容器基本上布置在第一连接元件的第一连接区域和第二连接元件的第二连接区域的水平处或其上方。在第一连接元件和第二连接元件的水平处或上方的布置有利地允许液体直接到达电弧，以便有效地熄灭电弧。因此，容器不是以明显的方式布置在第三连接元件下方，而是以相对的方式布置在第三连接元件上方。例如，经由滑块结构使这成为可能，由此容器不与第三连接元件直接接合，而是经由牢固地连接到第三连接元件的滑块间接接合。

优选地，壳体由耐高温塑料制成。这可以有利地确保即使在温度极端升高的情况下，用于电池模块的电气和机械连接的设备的安全和正确的功能。

另一方面涉及一种系统，该系统包括：以上更详细描述的至少一个设备；至少一个第一电池模块和第二电池模块；和/或至少一个能量存储设备和另一系统；在能量存储设备与另一系统之间的至少第一汇流条和第二汇流条。

优选地，该另一系统是电池管理系统、充电接口、驱动单元的接口或附加能量存储设备。

另一方面涉及包括上面更详细描述的系统的交通工具。

另一方面涉及其中具有灭火液体的容器在上面更详细描述的设备中的使用。

另一方面涉及具有用于中断在上面更详细描述的设备中的电气和机械连接的被动熔断器的连接模块的使用。

优选实施例的描述

下面给出附图的详细描述。其中：

图1示出了优选实施例的用于能量存储设备中的电池模块或能量存储设备和另一系统之间的两个汇流条的电气和机械连接的设备的示意图；

图2示出了处于闭合状态的优选实施例的用于能量存储设备中的电池模块或能量存储设备和另一系统之间的两个汇流条的电气和机械连接的设备的示意性截面视图；

图3示出了处于打开状态的优选实施例的用于能量存储设备中的电池模块或能量存储设备和另一系统之间的两个汇流条的电气和机械连接的设备的示意性截面视图；

图4示出了优选实施例的用于能量存储设备中的电池模块或能量存储设备和另一系统之间的两个汇流条的电气和机械连接的设备的示意图；

图5示出了优选实施例的系统的示意图；

图6示出了优选实施例的交通工具的示意图；以及

图7示出了另一优选实施例的系统的示意图。

图1示出了用于电气和机械地连接电池模块(未示出)或在能量存储设备与另一系统(未示出)之间的两个汇流条的设备10的示意图。设备10包括具有第一接口点12的第一连接元件11，其中第一接口12被设置成电气和机械地连接到能量存储设备的第一电池模块或第一汇流条。在本实例中，第一连接元件11是由铜制成的平坦部分。第一接口12被设计成通孔。第一连接元件11可以使用对应的螺钉(未示出)经由孔连接到第一电池模块(未示出)的极。设备10进一步包括具有第二接口14的第二连接元件13，其中第二接口14被配置成用于电气和机械地连接到相邻系统的第二电池模块或第二汇流条。第二连接元件13和第二接口14被设计成与第一连接元件11和第一接口12相同。此外，设备10包括连接模块15。连接模块15具有由耐高温塑料制成的壳体16。

图2示出了处于关闭状态的用于电池模块或能量存储设备和另一系统之间的两个汇流条的电气和机械连接的设备20的示意性截面图。连接元件21和22以使得第一连接元件21的第一连接区域24和第二连接元件22的第二连接区域25突出到壳体23中的方式布置在连接模块26的壳体23中。连接模块26包括第三连接元件27，第三连接元件27被配置成用于电气和机械地连接到第一连接元件21的第一连接区域24和第二连接元件22的第二连接区域25。在本实例中，第三连接元件27由铜制成，并且具有布置在中间的通孔28。电气和机械连接在第一连接区域24和第三连接元件27之间以及第二连接区域25和第三连接元件27之间提供力配合。连接模块26进一步包括被动安全元件29。在本实例中，被动安全元件29是具有液体的容器，该容器被设置为当达到温度极限值时爆裂。在本实例中，液体是灭火液体并且不导电。在本实例中，灭火液体是全氟化乙基异丙基酮。连接模块26被配置成用于在温度极限值处被动地打开第一连接元件21的第一连接区域24和第二连接元件22的第二连接区域25之间的连接。连接模块26进一步包括由塑料制成的插座30，插座30设置成在一侧接收被动安全元件29。插座30经由弹簧31安装在底座元件35中，并被引导穿过第三连接元件27的通孔28。连接模块26还包括滑块32，第三连接元件27固定到滑块32上(在本实例中经由配合连接)。滑块32可移动地安装或引导在壳体23中。底座元件35固定地布置在壳体23中。滑块32经由弹簧33和34支撑在底座元件35的下侧。为了提供第一连接元件21和第三连接元件27之间以及第二连接元件22和第三连接元件27之间的电气和机械连接，安全元件29以这样的方式插入滑块32的上侧之间并且在插座30中，使得：滑块32和第三连接元件27一起以力配合方式压靠第一连接元件21的第一连接区域24和第二连接元件22的第二连接区域25。弹簧31、33和34形成弹簧机构，弹簧机构被设置成经由第三连接元件27在第一连接元件21的第一连接区域24和第二连接元件22的第二连接区域25之间提供电气和机械连接。如上所述，经由被动安全元件29预张紧弹簧机构，使得第三连接元件29压靠第一连接元件21的第一连接区域24和第二连接元件22的第二连接区域25。安全元件29基本上布置在第一连接元件21的第一连接区域24和第二连接元件22的第二连接区域25的水平处或上方。这种布置通过滑块32和由此产生的第三连接元件35的间接移动而成为可能。在没有滑块32的情况下，安全元件29在第三连接元件35下方的替代布置是可以想象的。然而，这将具有缺点，即释放的任何液体将不太能够分布在第一连接区域24和第三连接元件35之间以及第二连接区域25和第三连接元件35之间，并且因此当连接被打开时，将不能有效地抵消所产生的电弧。

图3示出了用于电池模块或能量存储设备和处于打开状态的另一系统之间的两个汇流条的电气机械连接的设备50的示意性截面图。在本实例中，打开状态意味着被动安全元件29由于达到温度极限值而触发，并且第一连接元件54的第一连接区域51和第三连接元件52之间以及第二连接元件55的第二连接区域53之间的连接因此打开。安全元件29(未示出)的爆裂导致滑块56与第三连接元件52一起垂直向下移动。弹簧机构的弹簧57、58和59松弛并因此开始垂直运动。在本实例中，壳体61具有开口62。滑块56的上侧60闭合壳体61，具体而言是开口62，使得壳体61封围第一连接元件54的第一连接区域51、第三连接元件52、第二连接元件55的第二连接区域53以及由于安全元件29相对于环境的爆裂而释放的液体，使得释放的液体不能从壳体61逸出，并且可以覆盖第一连接元件54的第一连接区域51、第二连接元件55的第二连接区域53和第三连接元件52以熄灭电弧。电弧是通过第一连接元件54和第三连接元件52以及第三连接元件52和第二连接元件55之间的DC连接的打开而产生的。

图4示出了用于电池模块或能量存储设备与另一系统之间的两个汇流条的电气机械连接的设备70的示意图。与图1至图3所示的设备相比，设备70包括没有开口的壳体71。

图5示出了系统70的示意图，该系统70包括上文更详细描述的设备71，设备71用于电池模块或能量存储设备与另一系统之间的两个汇流条的电气和机械连接。系统70进一步包括第一电池模块72和第二电池模块73。第一电池模块72的一个极经由螺钉74连接到设备71。第二电池模块73的极经由螺钉75连接到设备71。螺钉连接使得能够间接地经由设备71在第一电池模块72和第二电池模块73之间形成电源线。

图6示出了交通工具90以及上面更详细描述的系统91。

图7示出了系统100的示意图，该系统70包括上文更详细描述的设备101，设备71用于电池模块或能量存储设备与另一系统之间的两个汇流条的电气和机械连接。系统100进一步包括第一汇流条102，第一汇流条102经由螺钉108连接到能量存储设备104。系统100还包括第二汇流条103，第二汇流条103经由螺钉109连接到另一系统105，在本实例中是电池管理系统。替代地，另一系统105也可以是充电接口、驱动单元的接口或另一能量存储设备。设备101经由螺钉106和107将汇流条102和103机械地和电气地彼此连接，从而间接地连接能量存储设备104和附加系统105。

附图标记列表

10,20,50,71,80,101 设备

11,21,54 第一连接元件

12 第一接口

13,22,55 第二连接元件

14 第二接口

15,26连接模块

16,23,61,81壳体

24,51第一连接区域

25,53第二连接区域

27,52第三连接元件

28 通孔

29 被动安全元件

30 插座

31,33,34,57,58,59弹簧

32,56滑块

35 地板元件

60 上侧滑块

62 开口

70,91,100系统

72 第一电池模块

73 第二电池模块

74,75,106,107,108,109螺钉

90 交通工具

104能量存储

105另一系统