CN102412376A - 用于电池中的密封框架和电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电池中的密封框架(10)及电池，密封框架包括：基板(11)，该基板(11)围绕一开口(12)，至少一个环形弹性可挤压的密封条(17)，围绕该开口(12)，在该开口(12)的一条边上设置了一个释放区域(21)，其中在释放区域(21)邻近，在基板(12)上设置了一个贯通的排出口(20)。

Description

用于电池中的密封框架和电池
技术领域
本发明一般地涉及一种用于电池中的密封框架，尤其是用于保持和封装所谓咖啡袋式电池单元(Coffee-Bag-Zellen)的密封框架。另外，本发明还涉及一种由保持在密封框架之间的电池单元构成的电池。
背景技术
大型电池是由独立的电池单元(Zelle)组成。通常用于混合动力车辆和/或电动车辆或工业应用的电池包含有在二十个至数百个之间的独立的电池单元。在此，各个电池单元可以设置成圆柱形、棱形或所谓的咖啡袋式电池单元。咖啡袋式电池单元包括柔性的、由薄片(Folie)制成的壳体，在该壳体内设置了电池单元的电子器件。
为了在电池中实现最佳的空间利用，优先采用咖啡袋式电池单元。咖啡袋式电池单元的特征在于重量轻并且容量高。咖啡袋式电池单元可以通过壳体的导热薄片良好的冷却。此外，这类设计的电池单元可以容易地扩展，这是因为电池单元的所有组件(包括薄片壳体在内)在生产中可以容易的改变尺寸。另外，这类型电池单元的生产费用不高，因为其不需要昂贵、坚固的外壳以及其他类似器件。由此，这类电池单元对于高成本压力的应用领域尤其有吸引力。
由于存储能量高，在发生故障时，大型电池始终存在安全风险。锂电池被视为尤其危险，这是由于其具有高能量密度、易燃电解质以及薄的隔板。最后，锂电池产生高的电池单元电压，从而使设置在电池单元中的器件受到高的电化学负荷。这对于使用寿命设定为至少8-10年的汽车电池和工业电池尤其重要，其可能导致电池单元器件的严重老化。
安装前述咖啡袋式电池单元可以节省空间。因此在电池内每单位体积能够存储较大的能量。但是其也与严重的结构缺陷相关联。如果咖啡袋式电池单元充电或放电，其尺寸通过柔性外壳而改变。这也会导致体积扩展。体积扩展导致单个电池单元在充电和非充电状态之间的厚度通常变化5％。
因此当组装由多个单个的、串联的电池单元组成的所谓的“堆栈”时，必须考虑的是，独立的电池单元具有可变化的体积。特别是必须注意到，即各电池单元在其具有最大厚度的已充电状态中向相邻电池单元的表面几乎不施加压力或者仅施加极小的压力。此外原则上也需要注意的是，由于制造公差，柔性的电池单元的厚度也不是相同的，而是存在波动的。
此外还需要这样一种装置来缓冲和/或吸收冲击或振动，从而使电池的内部以及机械和电气触点(如电触点或冷凝管)不受到损害。此外，导线电子设备和监控电子设备的接口必须尽可能无机械负荷地与电池连接。在串联电路中导线电子设备的几百个触点中的一个发生松脱就会导致电池故障。当监控电子设备的触点发生故障时，随后不再受监控的电池单元会逐渐到达临界的状态，这可能会在中期导致整个电池的损坏或故障。
另外，通过冷却通道的断裂，冷却介质能够到达电池内部。根据冷却系统的类型(例如空调系统)，冷却介质可能涉及易燃气体物质，后者在与能量产生部件接触时会起火。
前面所述的咖啡袋式电池单元的边缘示为环形的密封接缝。该密封接缝连接一个电池单元的构成壳体的两个薄片。由此在所形成的空腔中封闭电池单元的有效构造部件。这些薄片为此在内侧上涂覆了电绝缘的、增粘的密封-热塑性塑料。这种密封-热塑性塑料可由功能性的聚烯烃构成。
这种密封接缝构成咖啡袋式电池单元的机械薄弱部位。电池单元周围环境的气压是变化的。如果电池壳体严密封闭时，可产生典型地为0.2bar的受温度限制的压力波动。这种压力波动对密封接缝施加额外的负荷。另外，密封接缝也构成一种预定断裂位置，其在电池发生故障情况时应允许电解液排出。从而应避免电池单元在壳体处发生开裂。
此外，电池单元通常位于温度变化很大的环境中。对于汽车电池，通常从-30℃到+70℃是可以接受的常见极值。
如果在故障情况下的可燃电解液或有机分解气体与电极相接触，则其可被点燃并导致着火或爆炸。在咖啡袋式电池单元内部中的最大允许的超压在多数情况远低于1bar，以便阻止密封接缝张开。在咖啡袋式电池单元中导出电流的电极的导通部被认为是特别关键的。所述导通部通常具有约0.1至0.3mm的厚度。在该范围中，可能的泄漏也是特别危险的，这是因为在电极上逸出的电解液可能立刻被点燃。密封接缝通常被视为大型电池单元的薄弱部位，这是因为其常年经受到持续的、由循环工作引起的负荷。
即使采取了一定的措施，使得故障情况下逸出的电解液或有机分解气体流入密封接缝的特定位置，从而防止逸出的电解液接触到电极，仍然存在将排出的电解液导出电池的困难。尤其在用于汽车领域时，必须确保逸出的电解液不会进入车辆内部。用于收集故障情况下逸出的电解液的传统方法成本昂贵且需要额外的装配工作，因为电池外壳配备了用于排出电解液的分离的排出通道。
发明内容
本发明的目标是设计一种用单电池单元构造的电池，能够以尽可能小的装配成本引导出故障情况下逸出的电解液。
该目标由如权利要求1的密封框架以及并列权利要求的电池而解决。
其他有利的设置由从属权利更求给出。
根据第一方面，密封框架被用于电池中。该密封框架包括：
-基板，该基板包含一开口，
-至少一个环形弹性可挤压的密封垫圈，其围绕该开口，
为了对设置在密封框架上的元件不施加或施加减小的压力，在该开口的一条边上设置了一个释放区域，在释放区域邻近，在基板上设置了一个贯通的排出口。
用于构造具有例如所谓的咖啡袋式电池单元的电池的上述密封框架的一种想法是：其具有环形密封垫圈用于支撑电池单元，其中设置有释放区域，该区域内密封面对于电池单元的密封接缝(Siegelnaht)不施加压紧力或施加减小的压紧力，以构成额定排放位置(Sollausblasstelle)。一个排出口
Figure BSA00000609911200032
紧邻用于额定排放位置的释放区域，所述排出口在用于构造电池的多个密封框架重叠排列的情况下构成用于在释放区域上逸出的(austretend)电解液的排出通道。
设置排出通道使得能够以尤为简单的方法在构造电池单元堆叠的同时提供用于发生故障时逸出的电解液的排出通道。因此不需要在电池中设置覆盖额定排放位置的附加元件，例如排出管或类似器件，而仅设置一个开口用作排出通道的接口。因此能够可靠地建立电解液的排出通道，因为不必在电池外壳处设置附加的结构单元。
另外，密封垫圈环绕该排出开口。因此可以使用自身闭合的垫圈，其既环绕开口又位于排出口上。因为该自身闭合的垫圈不包含端点，减少了由于弯折垫圈端面或者由于未被垫圈密封区域而导致的泄露风险。
根据一个实施方式，密封垫圈被设置为密封条或密封区域，其至少在释放区域之外与开口的一条边缘齐平封闭。
在密封框架中可以设置钻孔(Bohrung)，用于建立冷却介质或加热介质通道。钻孔自身可被密封，表示通道。替换性的，冷却/加热介质的管道和/或用于电加热的电缆可被安装通过钻孔。
基板用弹性可挤压的材料制成，其中密封垫圈和基板尤其是一体成型。
另外，密封垫圈可设置弹性可挤压层，其施加在不具有弹性的基板上。
基板的释放区域被设置为基板上开口的一条边上的凹口。
基板的边在释放区域内可以通过桥接片(Steg)构成，该桥接片被设置以在基板的开口的一条边上形成双侧凹口。
根据另一个实施方式，基板的边在释放区域内形成为一个桥接片，该设置使得在基板的开口的一条边上形成了双侧凹口。桥接片的任务是使排出口范围内密封框架的基板更坚固，从而实现了更高的结构稳定性。
桥接片设置在排出口和开口之间。
根据另一个方面，设计了一种装置，其具有上述密封框架和电池单元，尤其是咖啡袋式电池单元，其中该电池单元包括由密封接缝环绕的电池单元外壳，电池单元能设置在密封框架上使得电池单元外壳伸到开口内，密封接缝邻接密封垫圈，且在释放区域内密封接缝基本上不受到密封条的挤压。
根据又一个方面设计了一种电池。该电池包括至少两个上述密封框架和位于两个密封框架之间的至少一个电池单元，该电池单元包括由密封接缝环绕的电池单元外壳，电池单元外壳延伸到密封框架的基板的开口内，且密封接缝被容纳在一个密封框架的密封垫圈和另一个密封框架的基板之间，或者被挤压的容纳在密封框架的两个相对的密封垫圈之间，其中在释放区域内密封接缝不受到密封条的挤压。
此外，电池单元的引出片被容纳在密封框架之间，其从密封框架向外突出。
另外，电池是由密封框架和电池单元交替叠加构造而成，其中在堆叠方向上，在电池的至少一端上设置了盖，以关闭由密封框架的开口限定的内部，其中盖具有连接元件用于连接用于排放从电池单元逸出的电解液的排放线(Abführungsleitung)，该连接元件与由排出口构成的排出通道保持连接。
根据又一个方面提供了上述密封框架的一种应用，即用于与一个或多个电池单元构造电池。
附图说明
下面将基于附图来更清楚的说明优选实施例。图中：
图1：咖啡袋式电池单元的示意性平面图和侧视图；
图2：具有环形弹性密封垫圈的密封框架的平面图；
图3：图2中密封框架的透视图；
图4：具有双侧设置的密封垫圈的密封框架，以及所应用的咖啡袋式电池单元；以及
图5：由多个咖啡袋式电池单元和密封框架构成的电池的透视图，其具有排出故障情况下逸出的电解液的通道。
具体实施方式
图1示出了一个原电池(galvanische Zelle)1的平面图和侧视图。原电池1被设计为咖啡袋式电池单元。原电池(电池单元)1的内部位于电池单元外壳2内。电池单元外壳2由两层涂覆的金属片制成，尤其是由配备有聚烯烃涂层的铝箔制成。提供电压的电极/隔板组(Separatorstapel)设置在原电池1内部。
电池单元外壳2在其边缘处具有环形的密封接缝(Siegelnaht)3，在接缝处这两个涂覆的金属片通过层压(Laminieren)而相互连接，并且从而严密封闭电池单元1的内部。引出片4从密封接缝3突出，通过该引出片4可以分接(abgreifen)电压。用于汽车电池或工业备用电池的传统电池单元通常具有的电池单元外壳的厚度是1cm，宽度和长度超过20cm。这类电池单元的环形密封接缝的宽度大约是1cm，厚度大约1mm到2mm。
图2示出了用于构造具有例如如图1所示连接的一个或多个电池单元1的电池的密封框架10的平面图。图3是密封框架10的透视图。
密封框架10包括一个基板11，该基板11包括一个贯穿的(durchgehend)开口12。基板11和开口12根据要安装和/或要保持的电池单元1来设定尺寸，即使得原电池1的电池单元外壳2插入到开口12内且基板11邻接密封接缝3。
基板11可以构造为基本上为矩形，且具有四个侧边13，14，15，16，这些侧边之间互相设置为直角。基板11的材料通常可任意选择，例如塑料或者金属。塑料作为基板11材料的原因在于其重量轻且易于制造。优选使用导热塑料，通过其能够增强电池单元表面和冷却/散热通道之间的热传递。轻质结构材料也是可行的，例如复合材料或闭孔泡沫，其可以有助于减轻整个系统的重量。
此外有利的是使用自熄
Figure BSA00000609911200061
且因此在与逸出的可能热的气体接触时不着火的材料。例如，具有高比例玻璃纤维的尼龙材料是可行的。
基板11具有环形的密封垫圈(Dichtung)17，密封垫圈17可构造为密封表面
Figure BSA00000609911200062
或密封条(Dichtstreifen)。密封垫圈17用作挤压区域，以便向电池单元1的密封接缝3施加力。但是，密封垫圈17优选不必与开口12的边缘对准地被构造，以便在由于电池单元1负荷变化而导致的几何形状变化的情况下尽可能避免电池单元外壳2与基板11的内棱边接触。由此能够防止基板11和电池单元外壳2之间的摩擦，而这可能会导致磨损增加并且可能导致在构成电池单元外壳2的金属片范围内产生泄漏。
为了构造电池，堆叠多个上述密封框架10，其中每两个密封框架10之间设置一个原电池1，使得电池单元外壳2延伸到这两个密封框架10的相应开口12内，并且密封接缝3被施加到基板11的侧边13，14，15，16上的垫圈17所保持。原电池1在密封框架10上的设置由图4示意性的给出。
通过通孔
Figure BSA00000609911200063
18，密封框架10可例如通过螺钉和/或销互相固定，并且接触压力被施加到位于相应两个密封框架10之间的密封接缝3上。因此一方面，相关的电池单元1在密封接缝3处被可靠地支撑，同时在密封接缝3上，附加的力被施加在设置有密封垫圈17的区域上，由此在那里在电池单元外壳2内部压力增加时(例如在故障情况下)获得提高的密封性能。通孔18优选在基板11中均匀分布地设置，从而确保接触压力均匀，并且尤其是通常确保了预定的最小压力。可选地，借助于夹子来固定堆叠设置中的密封框架也是可行的。
基板11的一条侧边13构造为具有减小的宽度(在与其垂直的侧边14，16的延伸方向上)，并且优选表示基板11的这样一侧，即在该侧上，电池单元1的电极从以密封框架10构造的电池引出。侧边13的减小的宽度被选择为使得密封垫圈17的位于其上的部分仍确保对密封接缝3有足够高的挤压力。
为了能够构造具有多个电池单元1的电池，优选规定：为密封框架10的基板11在两侧都设置密封垫圈17。在该情形下，密封垫圈17相对于基板11相互面对面，并且二者优选齐平地连接到开口12的边缘。
当然，仅使用单密封缝垫圈也是可行的，由此仅在密封接缝的一侧进行弹性连接。这种实施方式的优点在于更经济的制造密封框架，以及如果可能的话，具有更好的电池单元热连接，如果密封框架的材料的导热性大于密封垫圈的导热性的话。于是，电池的构造是通过堆叠密封框架来实现的，从而密封框架的具有密封垫圈的一侧放置到密封框架没有密封条一侧上。
此外，基板11被设置尺寸为使得其从电池单元1的密封接缝3突出。由此，如果两个相邻的密封框架10在从密封接缝3突出的区域中直接邻接，则除了密封接缝3上的接触压力之外还能够相对于环境湿度进行密封。密封框架10相互形状配合地锁定也是可行的。
基板11的厚度基本上由电池单元外壳2在负荷状态下的厚度来确定，即电池单元外壳的最大扩展状态下，从而在电池具有多个重叠设置的电池单元1的情况下，电池单元不会互相施加压力，这可能会导致不希望的密封接缝3的横向负载和拉伸负荷。因此，基板11的厚度至少与负荷状态下电池单元的厚度相同。
另外，在基板11中设置贯通的钻孔19，该钻孔在具有多个互相堆叠的密封框架10的电池装配状态下构成用于引导冷却或加热液体的通道。由此可以实现用上述密封框架10构造的电池的温度调整。钻孔19具有的轴向长度对应于密封框架10的厚度。可替换地，在钻孔19内可以设置管道，冷却或者加热液体流动通过该管道。
密封框架10的基板11优选由坚固材料制成，例如金属或塑料。该材料应该具有足够的强度，以变即使在使密封框架10相互固定的通孔18之间的区域中也通过密封垫圈17确保对密封接缝3的足够的挤压力。
在密封框架的另一个实施例中，基板和密封垫圈一体成型，其中密封框架由弹性可按压材料制成。
基板11可用实心材料(Vollmaterial)制成，或者可以设置具有基板11相应厚度的开口12的内边缘和基板11的外边缘，其中开口12的内边缘和基板11的外边缘通过桥接片相互连接，在它们之间设置有凹槽，以尽可能减小由此构造的密封框架10的重量。通孔18以及钻孔19可以同样通过桥接片连接到开口12的内边缘和/或基板11的外边缘，以精确确定它们在密封框架上的位置。
与容纳电池单元外壳2的开口12邻接地在侧边13，14，15，16之一上设置排出口20，优选设置在与具有减小宽度的侧边13相对的侧边15上。此时必须考虑电池单元结构，使得电解液的逸出不会例如受到电极和隔板构成的电池单元内部结构的阻碍。排出口20是通过基板11的通道口，从而在堆叠多个密封框架10的情况下，排出口20构成了排出通道。
排出口20在安装状态下与电池单元1的密封接缝3的释放区域21相连接，在该区域中，密封垫圈17对密封接缝3不施加挤压力或施加明显减小的挤压力。释放区域21表示电池单元1的额定排放位置，由此在发生导致电池单元外壳2内部压力增加的故障时，密封接缝3破裂，并且使位于电池单元外壳2内部的电解液释放到排出口20的范围内。
为了确保由互相堆叠的密封框架10的排出口20构成的排出通道的充分密封，可以规定：密封垫圈17环形地不仅设置在开口12周围，也设置在排出口20周围。由此，密封垫圈17可以一体成型且自身闭合是，由此对于由开口12和排出口20构成的电池内部空间的密封可以获得更高的可靠性。
与释放区域21邻接地，可以设置排出口20，形式为开口12的边缘突出延伸到基板11的外边缘的隆起。在该情形下，开口12一定程度上转化为排出口20。在形成与释放区域21邻接的排出口20的隆起内可以设置桥接片22，其厚度与基板11的厚度相比减小了。桥接片22优选可以对于基板11的厚度设置在大约中心处。桥接片22优选用于基板11的机械稳定性，并且可以还具有第一边缘23，第一边缘基本上表示另一侧边15处开口12的内边缘的延伸。与桥接片22的第一边缘相对的第二边缘24基本上构成由排出口20形成的排出通道的边界。
排出口20的内壁的一个区域或整个内壁可具有抗热保护层，以避免由在故障时可能具有高温的逸出的电解液对基板11的损坏或损伤。优选地，排出口20的内壁的与开口11相对的区域具有保护层。因此，逸出的电解液会碰到保护层，并且对基板的热作用被减小。
图5中示出了由多个密封框架10和原电池1组成的电池的透视图。可看出夹层(Sandwich)结构，其中在两个相邻密封框架10之间各设置一个原电池1。另外，密封框架10互相堆叠使得排出口20形成一个排出通道，该排出通道与释放区域21邻接。为了保护这样构造的电池的端面(Stirnseite)，设置有与密封框架10堆叠的盖(Deckelteile)25和用于传导(Durchleiten)冷却或加热介质的钻孔19以及用于将(未示出的)排放线连接到排出通道的固定套管(Befestigungsstutzen)26的入口，以便将可能逸出的电解液引导到所期望的位置。
在各电池单元之间可以设置可挤压的导热元件，例如包含多孔无纺织物或泡沫材料的导热器件、涂覆的(beschichtet)多孔无纺织物/泡沫、涂有金属箔/与金属箔连接的无纺织物/泡沫，以及类似器件。替换地也可以想到在电池单元之间设置有薄片-加热薄片，其例如被粘接到电池单元的表面上，或者通过可挤压的元件被挤压到该表面上。
此外还可以想到在固定套管26上和/或在排放线内设置阀门，该阀门在正常工作状态下确保电池对外的密封，其中通过逸出的电解液打开高的内部超压。
附图标记
1原电池
2电池单元外壳
3密封接缝
4引出片
10密封框架
11基板
12开口
13，14，15，16边
17密封垫圈
18通孔
19钻孔
20开口
21释放区域
22桥接片
23第一边缘
24第二边缘
25盖
26管子

Claims (15)

1.一种用于电池中的密封框架(10)，包括：
-基板(11)，该基板(11)包含一开口(12)，
-至少一个环形的弹性可挤压的密封垫圈(17)，该密封垫圈(17)围绕该开口(12)，
在该开口(12)的一条边上设置有释放区域(21)，
其特征在于，在基板(12)中与释放区域(21)邻接地构造有贯通的排出口(20)。
2.如权利要求1的密封框架(10)，其中该密封垫圈(17)环绕该排出口(20)。
3.如权利要求1或2的密封框架(10)，其中该密封垫圈(17)被设置为至少在释放区域(21)之外与开口(12)的一条边缘齐平封闭的密封条或密封区域。
4.如权利要求1至3之一的密封框架(10)，其中在基板(11)中设置有钻孔，用于建立冷却介质或加热介质的通道。
5.如权利要求1至4之一的密封框架(10)，其中基板(2)由弹性可挤压材料制成。
6.如权利要求1至4之一的密封框架(10)，其中垫圈(17)被构造为施加在非弹性的基板(11)上的弹性可挤压的层。
7.如权利要求1至6之一的密封框架(10)，其中基板(11)的释放区域(21)由基板(11)中开口(12)的一条边上的凹口构成。
8.如权利要求1至7之一的密封框架(10)，其中基板的边在释放区域(21)内通过桥接片(22)构造，该桥接片被设置以便在基板(11)中的开口(12)的一条边上形成双侧凹口。
9.如权利要求1至8之一的密封框架(10)，其中基板(11)的边在释放区域(21)内通过桥接片(22)构造，该桥接片被设置以便在基板(11)中的开口(12)的一条边上形成双侧凹口。
10.如权利要求9的密封框架(10)，其中桥接片(22)被设置在排出口(20)和开口(12)之间。
11.一种具有如权利要求1至10之一的密封框架(10)和电池单元(1)的装置，该电池单元尤其是咖啡袋式电池单元，其中该电池单元(1)包括由密封接缝(3)环绕的电池单元外壳(2)，电池单元(1)能设置到密封框架(10)上使得电池单元外壳(2)延伸到开口(12)内，密封接缝(3)邻接密封垫圈(17)，且在释放区域(21)内密封接缝(3)基本上不受到密封垫圈(17)的挤压。
12.一种电池，包括至少两个如权利要求1至10之一的密封框架(10)和至少一个电池单元(1)，其中电池单元(1)位于两个密封框架(10)之间，该电池单元(1)包括由密封接缝(3)围绕的电池单元外壳(2)，电池单元外壳(2)延伸到密封框架(10)的基板(11)的开口(12)内，且密封接缝(3)压紧地被容纳在一个密封框架(10)的密封垫圈(17)和另一个密封框架(10)的基板(11)之间或者被容纳在密封框架(10)的两个相对的密封垫圈(17)之间，其中在释放区域内密封接缝(3)不受到密封垫圈(17)的挤压。
13.如权利要求12的电池，其中电池单元的引出片被容纳在密封框架(10)之间，该引出片从密封框架(10)突出。
14.如权利要求12和13之一的电池，其中通过交替地堆叠密封框架(10)和电池单元(1)来构造该电池，其中在堆叠方向上，在电池的至少一端上设置有盖(25)以关闭由密封框架(10)的开口(12)构成的内部空间，其中盖(25)具有连接元件，该连接元件与由排出口构成的排出通道连接。
15.如权利要求1至10之一的密封框架(10)的一种应用，用于构造具有一个或多个电池单元(1)的电池。
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