CN115224433A - 用于高压电池的电池单体、高压电池和机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车(34)的高压电池(36)的电池单体(20、20a、20b)，其中，该电池单体(20、20a、20b)具有带有第一壳体侧(22)的单体壳体(24)，其中，在第一壳体侧(22)中布置有能释放的排气开口(28)，并且其中，电池单体(20、20a、20b)具有第一和第二单体极抽头(26a、26b)，单体极抽头布置在第一壳体侧(22)上。在此，第二单体极抽头(26a)沿确定的第一方向(x)布置在第一单体极抽头(26b)与所述能释放的排气开口(28)之间。

Description

用于高压电池的电池单体、高压电池和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的高压电池的电池单体，其中，电池单体具有带第一壳体侧的单体壳体，并且其中，在第一壳体侧中布置有能释放的排气开口，并且电池单体具有布置在第一壳体侧上的第一和第二单体极抽头(Zellpolabgriff)。此外，本发明还涉及具有这种电池单体的高压电池和具有这种高压电池的机动车。
背景技术
用于机动车的高压电池典型地由多个电池单体构建而成。这些电池单体还可以组合成电池模块。在电池单体出现故障的情况下，可能会发生热事件。这种故障情况例如可能由于机动车的事故造成例如短路而出现。在这样的热事件过程中，电池单体发生剧烈变热，并且电池单体内部强烈产生气体。在此为了防止这种电池单体的爆炸，电池单体典型地在其单体壳体中具有能释放的排气开口。这种在发生热事件时从电池单体中逸出的气体在此包括能导电的颗粒并且也是高度易燃的。该气体典型地具有高石墨含量，这造成了高导电性，以及具有高氢含量，由此造成了该气体的高度易燃的特性。在棱柱形电池单体的情况下在此还常见的是，单体极抽头、也就是用于各相应单体的正极和负极的单体端子(在下文中也被简单地称为电极或单体极)以及能释放的排气开口被布置在电池单体的同一侧上，由此尤其得出一种结构，根据该结构，两个单体极或单体极抽头被布置在该第一侧的两个相对置的边缘区域处，而能释放的排气开口被布置在这些极之间的某处，尤其是被布置在这些极之间的中间区域中。由于在发生热事件时从电池单体中逸出的气体具有高导电性和易燃性，因此有必要使逸出的气体尽可能远离单体极抽头，这是因为由于电位差和气体的导电性会发生电压击穿，这又导致高易燃性的气体被点燃。
此外，由现有技术中已知将电极和/或排气开口布置在单体的不同侧上的单体。这种情况通常发生在袋形单体或圆形单体中。例如，WO2019/230744A1描述了一种电池单体，其具有布置在相对置的侧上的极片和布置在袋形电池单体的边缘区域处的阀。此外，JP2014-209524 A描述了一种具有设计非常复杂的排气阀的储能装置。
如果极和排气开口例如布置在电池单体的不同侧上，则这在发生热事件时便于可能逸出的气体逸出单体极。但由此使得电池单体、特别是单体壳体的制造明显更复杂。由于单体内部额外在侧向需要结构空间，特别是在棱柱形电池单体的情况下，这还将导致单体的最大可蓄能量减少。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种电池单体、一种高压电池和一种机动车，它们一方面允许以尽可能低成本的方式设计单体壳体，并且另一方面能够在发生热事件时使从单体中逸出的气体尽可能有效地远离单体的单体极抽头。
该目的通过具有根据各相应独立专利权利要求的特征的电池单体、高压电池和机动车来实现。本发明的有利设计方案是从属专利权利要求、说明书和附图的主题。
根据本发明的用于机动车的高压电池的电池单体具有带第一壳体侧的单体壳体，其中，在第一壳体侧中布置有能释放/开启的排气开口，并且其中，电池单体具有布置在第一壳体侧上的第一单体极抽头和第二单体极抽头。在此，第二单体极抽头沿确定的第一方向布置在第一单体极抽头与能释放的排气开口之间。
换句话说，现在排气开口不再布置于单体极抽头之间，而是两个单体极抽头在第一壳体侧上都布置在一侧且排气开口关于上述限定的第一方向在第一壳体侧上布置另一侧。由此使排气路径与电极明显更容易分离，从而可以大大减少发生短路或电弧形成的风险。同时，两个单体极抽头以及排气开口仍然可以被布置在电池单体的同一侧上、即在此在所限定的第一壳体侧上。这有许多优点，其中一部分优点已经在开头描述过了。一方面，这使得能够特别成本有效地设计单体壳体，这是因为所有所需部件、如单体极抽头、排气开口或其他可选的另外的部件(如传感器等)都能够被集成在第一壳体侧上，而所有其余单体壳体侧就可以不提供任何部件。单体壳体由此例如可以以特别简单的方式构造为具有盖的、经深冲的罐形件，该盖提供了第一壳体侧。因此，经深冲的罐形件可以以特别简单且廉价的方式制造。尤其是通过根据本发明的电池单体的上述构造能够保留用于制造传统电池单体、尤其是棱柱形的电池单体的制造方法，只需稍作更改即可。实际上，例如可以只是将一个单体极抽头与所述排气开口之间的位置互换。所有其余的制造步骤都可以保持不变。再者，如果将排气开口设置在电池单体的与布置有单体极的一侧不同的另一侧上，则具有的主要的缺点是，这会在单体壳体内部中需要额外的结构空间、尤其还有装配空间以用于安装该能释放的排气开口，这会在相同体积的情况下减少单体的最大可蓄能量。现在这一情况有利地也可以通过根据本发明的电池单体得到避免。因此，本发明有利地能够实现以特别简单且廉价的方式提供具有更高的安全性的电池单体。
排气开口在此可以以任意方式设计，例如设计为泄压阀。在此特别有利的是，能释放的排气开口被构造为在单体壳体中的由爆裂膜封闭的开口，当电池单体内部中的气体压力超过特定的阈值时，该开口自动打开或破裂。在该情况下，能释放的排气开口由在第一壳体侧中的简单的开口、例如孔形成，该开口通过薄的、例如箔状的膜封闭。这还能够实现这种能释放的排气开口的特别节省结构空间、简单、廉价的构造。
由于单体极抽头和排气开口布置在电池单体的同一侧上，使得各个单体也可以明显更容易地组合成单体组或电池模块并布置在紧固结构中。此外，单体由此也可以以简单的方式附接到冷却装置上，冷却装置例如可以布置在底侧，也就是说与第一壳体侧相对置地布置。
此外优选的是，第一壳体侧限定了电池单体的上侧。这在此是就电池单体在高压电池中或机动车中的按规定的装入位置而言。由于排气开口因此同样位于上侧，所以在发生热事件时可以推定排气开口可靠地打开并且气体被有效地排出。这是因为高温气体向上升，从而与例如侧向或底侧布置的排气开口相比，这种气体更容易从位于上方的排气开口逸出。
该单体壳体优选形状相对稳定地设计，尤其是与典型的袋形单体的袋状结构相比。换句话说，单体壳体优选是所谓的硬盒。优选地，电池单体被构造为棱柱形的单体。这意味着，单体壳体具有基本上呈棱柱形的几何形状。在此还包括以下实施方式，即，将袋形单体例如集成到硬盒中，也就是说集成到形状相对稳定的单体壳体中，例如像棱柱形单体的单体壳体。
此外有利的是，第一壳体侧被构造为单体壳体的刚性的壳体盖。由此能够以特别简单、稳定和可靠的方式集成各种部件，如上述的单体极抽头和排气开口。
在本发明的另外有利的设计方案中，单体壳体具有与第一壳体侧不同的壳体下部，该壳体下部具有与第一壳体侧相对置地布置的第二侧、相互相对置的第三侧和第四侧、以及相互相对置的第五侧和第六侧，其中，壳体下部一体式地构成，尤其是被构造为深冲构件。例如，壳体下部如开头所述可以被构造为简单的、金属的、经深冲的例如由铝制成的罐形件，而第一壳体侧可以作为盖被放置在该罐形件上。在罐形件的内部中可以相应地布置单体化学成分，如具有电解质的单体卷(Zellwickel)。这使得能够特别简单且廉价地构造电池单体。
在本发明的另外非常有利的设计方案中，能释放的排气开口沿第一方向到第一壳体侧的边缘的距离小于或等于到第一壳体侧的中间/中心的距离。能释放的排气开口越靠近第一壳体的边缘，则距单体极抽头的距离就越大，并且就越能够容易实现排气路径与电极的分离。为了促进该分离，在能释放的排气开口与单体极抽头之间也可以在第一壳体侧上在能释放的排气开口与单体极抽头之间布置有分离元件。这样的分离元件例如可以构造为简单的隔片。但能释放的排气开口也可以与排气通道联接，该排气通道至少部分罩住排气开口或排气开口通到排气通道中。因此，这样的通道的壁部将相应的排气路径与电极分隔开。
在此特别有利的是，电池单体具有导气罩，导气罩在第一壳体侧上布置在能释放的排气开口的区域中，并且导气罩被设计成用于使从排气开口逸出的气体转向，尤其是关于第一方向远离第一极抽头和第二单体极抽头地转向。因此，通过这样的导气罩可以同时以特别有效的方式提供与单体极抽头的分离，以及使气体远离这些单体极抽头地转向。例如，这样的导气罩可以有针对性地将要排出的气体导引到气体通道等中。除了能够使气体远离单体极抽头转向，这样的导气罩还具有非常大的优势：由此例如可以提供对气流的侧向转向，也就是说不向上指向的转向。典型地，机动车中的高压电池布置在机动车的底部区域中，也就是说布置在乘客舱下方。从电池单体向上逸出的气体在此会自动流向乘客舱的方向。这在此可以通过所述的导气罩及其气体转向功能有利地得到避免。特别是当所逸出的热气体还被点燃了时，通过侧向的转向可以为内部空间中的乘客提供附加的保护。
此外，本发明还涉及用于机动车的高压电池，该高压电池具有根据本发明的电池单体或电池单体的其中一个实施方案。因此，针对根据本发明的电池单体及其实施方案所描述的优点同样地也适用于根据本发明的高压电池。优选地，这样的高压电池具有多个这样的电池单体。
此外在此特别有利的是，高压电池具有带有多个第一电池单体的第一单体排和带有多个第二电池单体的第二单体排。因此，第一电池单体和第二电池单体被构造为根据本发明的电池单体或根据本发明的实施方式的电池单体。此外，优选的是，第一单体排和第二单体排沿垂直于第一方向的第二方向相互平行延伸地布置，其中，第一电池单体的第一壳体侧在第一单体极抽头和第二单体极抽头以及能释放的排气开口的位置方面与第二电池单体的第一壳体侧关于垂直于第一方向延伸的镜像平面镜像对称地设计。以该方式可以有利地使排气开口也与相邻单体排的单体极抽头的距离最大化。
根据本发明的另外非常有利的实施方案，第一单体排的能释放的排气开口与第二单体排的能释放的排气开口沿第一方向彼此间的距离大于第一单体排的第一和第二单体极抽头与第二单体排的第一和第二单体极抽头的距离。换句话说，能释放的排气开口靠外侧布置，而相应单体排的单体极抽头则布置在该单体结构的中间区域中。这便于将逸出的气体向外排出，尤其是从高压电池和车辆中排出。这还可以通过以下方式来做到，即，将排气通道相对于高压电池的该单体结构布置在外部，该排气通道同样可以与单体排平行地延伸，并且所述能释放的排气开口可以基于其各自在单体结构的边缘区域中的定位而相应地以特别简单的方式联接到该排气通道上。相反，单体极抽头则位于高压电池的该单体结构的中间区域中。单体的接线和高压线路相应地也可以布置在那里。排气路径与高压部件的分离由此特别有效。由此可以相应使安全性最大化。
然而，也能想到的是，排气开口被布置在靠近镜像平面的中间区域中，并且替代地将单体极抽头靠外侧布置。这例如能够实现通过在中间延伸的气体通道将气体从电池和车辆中居中地排出。在该情况下，在排气路径与单体极抽头及其他高压部件之间也提供了特别有效的分离。
此外，本发明还涉及具有根据本发明的高压电池或其设计方案之一的高压电池的机动车。针对根据本发明的高压电池及其设计方案所描述的优点同样地也适用于根据本发明的机动车。在此优选的是，电池单体的第一壳体侧就高压电池在机动车中的按规定的装入位置而言限定了上侧。此外，第一方向例如可以相应于车辆横向方向，而第二方向相应于车辆纵向方向。但也可以设想其他设计方案。
例如，第一单体排和第二单体排可以是高压电池所仅有的单体排。这是特别有利的，因为由此明显易于排气路径与单体极抽头分离。电池单体相对于车辆横向方向可以相应宽地设计，以便由这两个单体排最大化地填充该处的可供使用的结构空间。
根据本发明的机动车优选被设计为汽车，尤其是被设计为乘用车辆或载重车辆，或被构造为客运巴士或摩托车。
本发明还包括所述实施方式的特征组合。因此，本发明也包括分别具有所描述的其中多个实施方式的特征组合的实现方案，只要这些实施方式没有被描述为相互排斥即可。
附图说明
下面描述了本发明的实施例。其中：
图1以侧视图示出根据不属于本发明的示例的电池单体的示意图；
图2以俯视图示出图1的电池单体的示意图；
图3以侧视图示出根据本发明的实施例的棱柱形的电池单体的示意图；
图4以俯视图示出图3的电池单体的示意图；并且
图5示出根据本发明的实施例的具有高压电池和多个电池单体的机动车的示意图。
具体实施方式
下文描述的实施例是本发明的优选实施方式。在实施例中，各实施方式的所描述的部件分别代表了本发明的各单独的、应相互独立看待的特征，这些特征也分别相互独立地改进了本发明。因此，本公开内容还应包括与实施方式的所示特征组合不同的其他组合。此外，所述的实施方式还可以通过另外的已描述的本发明的特征来补充。
在附图中，相同的附图标记分别标注了功能相同的元件。
图1以侧视图示出根据不属于本发明的示例的电池单体10的示意图，并且图2以俯瞰该电池单体10的单体壳体14的第一壳体侧12的俯视图示出该电池单体10的示意图。电池单体10在此被构造为传统的棱柱形的电池单体10，并具有两个单体极16，其中一个被构造为正极，并且一个被构造为负极。这两个单体极16在此与排气开口18一起布置在单体壳体14的上侧12上。在发生热事件时，气体19可能通过排气开口18从单体壳体14排出。然而，如果该排气开口如图1和图2所示被布置在单体极16之间，那么就难以将排气路径与电极16分离开。这一情况可以有利地通过排气开口相对于单体极的不对称布置来避免，现在将参照本发明的实施例在下文中进行描述。
图3在此以侧视图示出了根据本发明的实施例的电池单体20的示意图，并且图4以俯瞰单体壳体24的第一单体壳体侧22的俯视图示出了该电池单体20的示意图。在该示例中，电池单体20被构造为棱柱形的电池单体20。在此，就电池单体20在机动车中的按规定的装入位置而言，第一壳体侧22限定了电池单体20的上侧22。该电池单体20有两个单体极抽头26a、26b。这两个单体极抽头26a、26b中的一个在此可以构造为正极，而另一个构造为负极。例如，在该示例中，第一单体极抽头26a可以构造为负极，第二单体极抽头26b可以构造为正极，或者反之亦然。两个单体极抽头26a、26b在此都布置在第一单体壳体侧22上。此外，第一单体壳体侧22具有能释放的排气开口28。该排气开口被设计成用于在发生热事件的情况下或至少在单体壳体24内部出现过压时被释放，并由此能够实现气体29的逸出。该能释放的排气开口28例如可以被构造为由气体膜片封闭的开口。该开口28相应地也同样位于单体壳体24的上侧22中。有利地，该排气开口28现在不再布置在两个单体极抽头26a、26b之间，而是替代地将两个单体极抽头中的一个、在本例中是将第一单体极抽头26a布置在排气开口28与第二单体极抽头26b之间。这明显更易于排气路径与电极26a、26b分离。与之相伴地也可以有利地减少在电池单体20排气时发生短路或形成电弧的危险。安全性可以得到整体提高。同时，这使得能够非常简单且低成本地构造电池单体20、尤其是单体壳体24，这是因为单体壳体24的所有部件，如单体极26a、26b、排气开口28和另外可选的部件仍布置在相同的侧，即第一壳体侧22上。单体壳体24的提供了壳体下部30的其余侧例如可以廉价地制造为经深冲的罐形件。然后，在该罐形件30上可以容易地放置作为盖的上侧22。通过该能释放的排气开口28的偏心布置，还能实现的是，使逸出的气体29例如不向上排出，而是相对于单体20侧向地排出。这在气体引导方面提供了明显更多的灵活性。例如，如图3示意性所示地，电池单体20也可以具有导气罩32，该导气罩同样布置在单体壳体24的上侧22上，尤其是布置在能释放的排气开口28的区域中，该导气罩被设计成使逸出的气体29转向，尤其是远离单体极26a、26b。
图5示出了根据本发明的实施例的具有高压电池36的机动车34的示意图。高压电池36在此包括多个电池单体20，这些电池单体可以如上所述地设计。在该示例中，高压电池36包括具有多个这样的电池单体20(在此被标记为20a)的第一单体排38和具有多个第二电池单体20(在此被标记为20b)的第二单体排40。两个单体排38、40在此沿车辆纵向方向(在此对应的是Y方向)相互平行地延伸。各个单体排38、40的第一和第二电池单体20a、20b根据车辆的纵向方向y并排布置。在此特别有利的是，电池单体20a关于其单体极抽头26a、26b和能释放的排气开口28的定位方面相对于第二单体排40的第二电池单体20b的单体极抽头和能释放的排气开口镜像对称地布置。这就能够实现以更有效的方式将排气路径与高压电部件分离。此外在此特别有利的是，排气开口28相对于例如沿车辆纵向方向延伸的中间轴线靠外侧布置。该轴线同时可以是镜像对称轴线。相对应的镜像平面在当前用E标记并与所示的X方向垂直地延伸。因此，逸出的气体29例如可以特别容易地例如经由机动车34的各相应侧门槛区域42向外排出。为清楚起见，在图5中针对单体排38、40分别仅对一个电池单体20a、20b、其单体极26a、26b和其排气开口28在上侧22中标注了附图标记。此外，在本示例中，各相应第一和第二电池单体20a、20b的两个单体极26a、26b同样彼此镜像对称地布置，但这并非必须如此。换句话说，在该示例中，两个极26a、26b中的哪一个位于相应上侧22的中间区域中、哪一个位于边缘区域中并不重要。
总之，这些示例示出了如何能够通过本发明提供不对称的电池单体，通过将能释放的排气开口相对于棱柱形的电池单体的单体极不对称地布置,该不对称的电池单体能够使排气路径与电极的分离明显更容易，而不会使这种电池单体的结构和设计更复杂。

Claims (10)

1.一种用于机动车(34)的高压电池(36)的电池单体(20、20a、20b)，其中，所述电池单体(20、20a、20b)具有带有第一壳体侧(22)的单体壳体(24)，其中，在第一壳体侧(22)中布置有能释放的排气开口(28)，并且其中，所述电池单体(20、20a、20b)具有第一和第二单体极抽头(26a、26b)，所述第一和第二单体极抽头都布置在第一壳体侧(22)上，
其特征在于，
第二单体极抽头(26a)沿确定的第一方向(x)布置在第一单体极抽头(26b)与所述能释放的排气开口(28)之间。
2.根据权利要求1所述的电池单体(20、20a、20b)，
其特征在于，
所述电池单体(20、20a、20b)被构造为棱柱形的单体(20、20a、20b)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体(20、20a、20b)，
其特征在于，
所述第一壳体侧(22)被构造为单体壳体(24)的刚性的壳体盖(22)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体(20、20a、20b)，
其特征在于，
所述单体壳体(24)具有与第一壳体侧(22)不同的壳体下部(30)，该壳体下部具有与第一壳体侧(22)相对置的第二侧、相互相对置的第三侧和第四侧、以及相互相对置的第五侧和第六侧，其中，该壳体下部(30)一体式地构成，尤其是被构造为深冲构件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体(20、20a、20b)，
其特征在于，
所述能释放的排气开口(28)沿第一方向(x)到第一壳体侧(22)的边缘的距离小于或等于到该第一壳体侧(22)的中间的距离。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体(20、20a、20b)，
其特征在于，
所述电池单体(20、20a、20b)具有导气罩(32)，该导气罩在第一壳体侧(22)上布置在能释放的排气开口(28)的区域中，并且该导气罩被设计成用于使从排气开口(28)逸出的气体(29)转向，尤其是关于第一方向(x)远离第一和第二单体极抽头(26a、26b)地转向。
7.一种用于机动车(34)的高压电池(36)，该高压电池具有根据前述权利要求中任一项所述的电池单体(20、20a、20b)。
8.根据权利要求7所述的高压电池(36)，
其特征在于，
该高压电池(36)具有带有多个第一电池单体(20、20a)的第一单体排(38)和带有多个第二电池单体(20、20b)的第二单体排(40)，其中，所述第一单体排(38)和第二单体排(40)沿垂直于第一方向的第二方向(y)相互平行延伸地布置，其中，所述第一电池单体(20、20a)的第一壳体侧(22)在第一和第二单体极抽头(26a、26b)的以及能释放的排气开口(28)的位置方面与第二电池单体(20、20b)的第一壳体侧(22)关于垂直于第一方向(x)延伸的镜像平面(E)镜像对称地设计。
9.根据权利要求8所述的高压电池(36)，
其特征在于，
所述第一单体排(38)的能释放的排气开口(28)与所述第二单体排(40)的能释放的排气开口(28)沿第一方向(x)彼此间的距离大于所述第一单体排(38)的第一和第二单体极抽头(26a、26b)与所述第二单体排(40)的第一和第二单体极抽头的距离。
10.一种机动车(34)，该机动车具有根据权利要求7至9中任一项所述的高压电池(36)。
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