DE102006060018A1

DE102006060018A1 - Sicherheitsaufbau eines Batteriegehäuses aus Kunststoff

Info

Publication number: DE102006060018A1
Application number: DE102006060018A
Authority: DE
Inventors: Donald P H Wu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Sicherheitsaufbau eines Batteriegehäuses, der insbesondere ein Batteriegehäuse aus Kunststoff integral ausgebildet ist, wobei wenigstens eine Funktionskerbe in der Innenwand des Batteriegehäuses angeordnet ist, deren Maul dem Inneren des Batteriegehäuses zugewandt ist. Diese Maulgestaltung sorgt für den Druckaufbau in der Kerbe. Der Boden der Funktionskerbe ist als Funktionsstelle mit dünnster Wandstärke auf der gesamten Wandfläche des Batteriegehäuses ausgeführt. Wenn der Innengasdruck wegen außergewöhnlicher Ursachen der Batterie ansteigt, bläht sich die am nächsten befindliche Funktionskerbe wegen der Druckkraft rasch erheblich auf. Wegen der Flexibilität des plastischen Stoffs in der Batteriegehäusewand bricht die Wand der aufgeblähten Funktionsstelle nicht sofort auf, sondern wird ein Riss erst beim Wandverdünnen gebildet, sobald die Wandstärke kleiner als null ist. Durch den gebildeten Riss tritt das Druckgas sicher aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitsaufbau eines Batteriegehäuses aus Kunststoff, insbesondere ein Sicherheitsaufbau, der die Entspannung des Innendrucks des Batteriegehäuses einer sekundären Batterie gestattet.
Dank des großen werkstofflichen Durchbruchs sind die sekundären Lithiumbatterien (wie zum Beispiel die sekundäre Lithiumeisen-Phosphatbatterie) als Stromversorgungsquellen zum Decken hoher Stromkapazitätsbedürfnisse verwendet worden, die beispielsweise in der Anlage mit hohem Stromverbrauch wie elektrischen Fahrrädern, elektrischen Rollstühlen eingesetzt werden. Die gespeicherte sowie gelieferte Strommenge solcher sekundärer Hochleistungslithiumbatterien mit nichtwässriger Elektrolytlösung sind größer als die Strommenge der herkömmlichen Lithiumbatterien. Das Batteriegehäuse der oben beschriebenen sekundären Lithiumbatterie ist normalerweise als Metallgehäuse aus Aluminium ausgeführt. Nachdem die Elektrodenbleche und die nichtwässrige Elektrolytlösung im Batteriegehäuse aufgenommen worden sind, wird der Batteriegehäuse von einem Verschließdeckel auf der Stelle der Öffnung des Batteriegehäuses mittels Laserschmelzschweißen verschlossen, um das langfristige und stabile Versiegeln innerhalb der Batterie zu gewährleisten.
Die nichtwässrige Elektrolytlösung im Batteriegehäuse der vorstehend beschriebenen sekundären Lithiumbatterie wird heftig abgebaut, wenn der Innenstrom im Zustand der Überladung den vorgegebenen Wert überschreitet oder Kurzschluss wegen Fehlbenutzung in der Batterie auftritt. Wegen des Abbaus der nichtwässrigen Elektrolytlösung wird eine Menge Gas sofort erzeugt. Wenn der Innengasdruck im verschlossenen Batteriegehäuse ansteigt und den verträglichen Innendruckwert des Batteriegehäuses überschreitet, wird der Batteriegehäuse heftig geplatzt und somit Gas in großer Menge kräftig ausgeströmt. Dies hat zur Folge, dass die versorgte Anlage beschädigt oder von der Elektrolytlösung verschmutzt wird.
Im Hinblick darauf ist die sekundäre Lithiumbatterie mit nichtwässriger Elektrolytlösung üblicherweise mit einer vorgefertigten Entlüftungsöffnung im Verschließdeckel aus Aluminium des Batteriegehäuses versehen. Diese Entlüftungsöffnung wird von einer dünneren Sicherheitsventilmembran aus Aluminium im geschlossen Zustand abgesperrt. Wenn der Gasdruck im Batteriegehäuse einen vorgegebenen Druckwert überschreitet, bricht das Gas die aus Aluminium gefertigte Sicherheitsventilmembran und strömt durch diese Sicherheitsventilmembran im Freien aus, deswegen wird der Gasdruck im Batteriegehäuse dadurch abgebaut.
Es ist zu beachten, dass die oben beschriebene Sicherheitsventilmembran sich auf der Stirnseite des Verschließdeckels befindet. Im gesamten Blick ist sie relativ weit von dem mittleren Abschnitt der Elektrodenbleche entfernt. Die Entlüftungsöffnung ist auf die Fläche des Verschließdeckels beschränkt und weist üblicherweise keinen großen Durchmesser auf. Folglich dauert es ziemlich lang, bis die Sicherheitsventilmembran durch den Gasdruck durchgebrochen wird. Es tritt jedoch häufig auf, dass der mittlere Abschnitt des Gehäusekörpers beim außergewöhnlichen Gasdruckanstieg im Batteriegehäuse sofort vom Innendruck aufgebläht wird und danach heftig geplatzt, ohne die Sicherheitsventilmembran betätigt zu werden. Deswegen ist es klar, dass die Gestaltung der herkömmlichen Sicherheitsventilmembran eigentlich nicht in der Lage ist, die Sicherheit der Batterie wirklich aufrechtzuerhalten.
Wie aus 1 ersichtlich, wird eine aus der US 6 964 690 bekannte Sicherheitsvorrichtung eines eckigen Batteriegehäuses aus Aluminium gezeigt. Hauptsächlich befinden sich mehrere Abtragkerben 11 auf der Längsseitenfläche des Batteriegehäuses 10 und zwischen dem Boden der Abtragkerben 11 und der dem Batteriegehäuse 10 entsprechenden Innenfläche werden die Bruchstellen gebildet, die dünnere Wandstärke aufweisen und leicht aufzubrechen sind. Dies sorgt dafür, dass das ausströmende Gas die Wand des Batteriegehäuses auf der leicht zu brechenden Bruchstelle bricht und somit der Gasdruck problemlos abgebaut wird.
Bei der Gestaltung des sicheren Gasablasses, indem die Abtragkerben in der Außenwand des metallischen Batteriegehäuses ausgebildet und dadurch die leicht zu brechenden Bruchstellen erzeugt werden, werden die den Abtragkerben entsprechenden, leicht zu brechenden Aufbruchstellen sofort vom Gasdruck geplatzt, wenn es innerhalb der Batterie passiert, dass der Gasdruck außergewöhnlich ansteigt. Es ist darauf zu achten, dass die Dimension der Bruchöffnung ziemlich groß ist, weil großer Gasdruck in kürzester Zeitdauer die leicht zu brechenden Bruchstellen beaufschlagt, die relativ kleinere Fläche aufweisen. Dies hat zur Folge, dass Gas und die nichtwässrige Elektrolytlösung durch die Bruchöffnung stark ausgespritzt und die in der Batterie befindlichen Elektrodenbleche durch die Bruchöffnung großflächig entblößt werden. Solche Schäden gehören zu riesigen negativen Bedrohungen für die elektrischen Anlagen, die dadurch beeinträchtigt und beschädigt werden können.
Im Hinblick auf die vorstehende Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, vor allem den stärksten Pralldruck des Gases beim außergewöhnlichen Druckanstieg des Innengases im Batteriegehäuse zu dämpfen und danach den Gasdruck durch den kleineren Sicherheitsriss allmählich zu entspannen, um die Probleme vieler Nachteile beim Gestalten des herkömmlichen Batteriegehäuses zu lösen.
Durch die Erfindung wird ein Sicherheitsaufbau eines Batteriegehäuses geschaffen, das aus Plastik integral ausgebildet ist und mehrere Funktionskerben in der Innenwand des Batteriegehäuses aufweist, wobei jede der Funktionskerben einen dem Inneren des Batteriegehäuses zugewandten Maul. Beim Überdruck des Innengases im Batteriegehäuse wird die am nächsten befindliche Funktionskerbe sofortig aufgebläht. Die aufgeblähte Wand der Funktionsstelle bricht nicht sofort auf, sondern ein Riss tritt nach der Verzögerung auf, sobald die Wandstärke kleiner als null ist. Das Gas im Batteriegehäuse tritt durch den entstandenen Riss aus und der Druck wird abgebaut. Auf diese Weise wird vermieden, dass eine große Menge Gas in kürzester Zeitdauer heftig und kräftig aus dem Batteriegehäuse ausgespritzt wird, was zur Verschmutzung und Beschädigung der elektrischen Anlage führt.
Außerdem wird durch die Erfindung ein Sicherheitsaufbau eines Batteriegehäuses aus Kunststoff geschaffen, der mehrere in der Innenwand des Batteriegehäuses befindlichen Funktionskerben aufweist, deren Maul nach innen gerichtet ist. Die Maulrichtung der Funktionskerben steht ausgerechnet dem Gasdruck entgegen und den Druck derart sammeln, dass die Funktionskerbe sofortig aufbläht.
Die Erfindung weist insbesondere die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines aus der US 6 964 690 bekannten Sicherheitsaufbaus einer viereckigen Batterie aus Aluminium;
2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen kreisförmigen plastischen Batteriegehäuses und Elektrokerns in demontiertem Zustand;
3 einen Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes kreisförmiges plastisches Batteriegehäuse nach dem Zusammenbau;
4 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße kreisförmige plastische Batteriegehäuse nach dem Zusammenbau, wobei die Simulation der Aufblähung an einer Funktionsstelle dargestellt ist;
5 einen Axialschnitt durch das erfindungsgemäße kreisförmige plastische Batteriegehäuse nach dem Zusammenbau, wobei die Simulation der Aufblähung an einer Funktionsstelle dargestellt ist;
6 im Axialschnitt den Zustand des Methangasablasses durch Wandbruch nach dem Aufblähen an einer Funktionsstelle in 4;
7 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen kreisförmigen plastischen Batteriegehäuses mit senkrecht bzw. waagrecht angeordneten Funktionskerben sowie mit dem Elektrokern;
8 einen Axialschnitt durch das plastische Batteriegehäuse in 7 nach dem Zusammenbau, wobei der Zustand des Methangasablasses durch Wandbruch nach dem Aufblähen an den senkrecht bzw. waagrecht angeordneten Funktionsstellen dargestellt ist;
9 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen viereckigen plastischen Batteriegehäuses und Elektrokerns; und
10 einen Axialschnitt durch das eckige Batteriegehäuse in 9 nach dem Zusammenbau, wobei der Zustand des Methangasablasses durch Wandbruch nach dem Aufblähen der Funktionsstellen dargestellt ist.
In den 2, 3 und 4 ist ein erfindungsgemäßer Sicherheitsaufbau eines Plastikbatteriegehäuses dargestellt, wobei wenigstens eine Funktionskerbe im Voraus in der Innenwand des Batteriegehäuses gebildet wird.
Der Batteriegehäuse 20 ist als kreisförmiges Batteriegehäuse ausgeführt, welcher integral aus Plastik gefertigt wird. Ein eine Öffnung aufweisender Aufnahmeraum 21 ist im Batteriegehäuse 20 so ausgebildet, dass der Elektrokern 40, die Abdichtplatte 60 und die nichtwässrige Elektrolytlösung 50 und die anderen Bestandteile der Batterie darin aufgenommen werden können, die durch die Öffnung hindurch ins Batteriegehäuse 20 eingesetzt werden. Am Rand der Öffnung wird ein vorstehender Verbindungsflansch 22 gebildet, wobei ein Batteriedeckel 23 zum Verschließen dieser Öffnung verwendet wird. Die Schrauben 24 sind zum Verschließen des Aufnahmeraums 21 des Batteriegehäuses 20 durch den Batteriedeckel 23 und den Verbindungsrand 22 verriegelt.
Insbesondere wird wenigstens eine Funktionskerbe 30 erfindungsgemäß im Voraus in der Innenwand des Aufnahmeraums 21 des Batteriegehäuses gebildet, deren Maul 31 dem Inneren des Batteriegehäuses 20 zugewandt ist, wobei eine Funktionsstelle 32 mit der dünnsten Wandstärke auf der gesamten Wandfläche des Batteriegehäuses 20 zwischen dem Boden der Funktionskerbe 30 und der Außenwand des Batteriegehäuses 20 gebildet ist.
Wenn die nichtwässrige Elektrolytlösung der Batterie wegen außergewöhnlicher Ursachen (inklusiv: Überladung, Kurzschluss der Elektrodenbleche, Überlast usw.) heftig in Gas mit hohem Druck abgebaut wird, kann sich die Funktionsstelle 32 erheblich nach außen in der radialen Richtung des Batteriegehäuses aufblähen und sich zum Bilden eines Risses allmählich verdünnen, um das Gas aus dem Riss austreten zu lassen.
Vorstehend werden die Konfiguration des erfindungsgemäßen Sicherheitsaufbaus eines Plastikbatteriegehäuses sowie das vorgesehene Positionsverhältnis beschrieben, wobei ein Batteriegehäuse aus Plastik gefertigt und die Funktionskerbe im Voraus in der Innenwand des Batteriegehäuses gebildet wird. Überschreitet der Innendruck im Batteriegehäuse den eingestellten Wert, schützt die Funktionsstelle der Funktionskerbe die Batterie vor sofortigem Platzen, indem sie sich zuerst aufbläht und sich verdünnt, dann zum Bilden eines Risses zum Druckfreisetzen aufbricht. Auf diese Weise kann der Innendruck im sicheren Zustand freigesetzt werden. Die Funktionsweise wird nachstehend beschrieben: Bezugnehmend auf die 2, 3 und 4 wird insbesondere ein Batteriegehäuse 20 erfindungsgemäß integral aus Plastik gefertigt, in dessen Innenwand mehrere Funktionskerben 30 angeordnet sind. Eine Funktionsstelle 32 mit der dünnsten Wandstärke auf der gesamten Wandfläche des Batteriegehäuses 20 wird zwischen dem Boden der Funktionskerbe 30 und der Außenwand des Batteriegehäuses 20 gebildet. Die Anzahl der angeordneten Funktionskerben 30 ist von der Wirkabmessung des Batteriegehäuses 20 abhängig. Zum Beispiel, für ein kreisförmiges Batteriegehäuse 20 mit einem Durchmesser weniger als 20 cm können 4 Funktionskerben 30 axial in der Innenwand des kreisförmigen Batteriegehäuses 20 angeordnet werden, wobei jeweilige Funktionskerbe 30 sich mit gleichem Abstand verteilt.
Wie aus 4, 5 und 6 ersichtlich, dehnt sich der Gasdruck vom Batteriegehäuse 20 nach außen aus, wenn die nichtwässrige Elektrolytlösung der Batterie wegen außergewöhnlicher Ursachen heftig in Methangas mit hohem Druck abgebaut wird. Es ist zu beachten, dass sich die Stelle der aufgetretenen Störung innerhalb der Batterie ausschließlich auf einer gewissen einzelnen Seitenfläche des Batteriegehäuses 20 befinden kann. Jedoch wird die Innenwand des Batteriegehäuses 20 vom höchsten Druckwert direkt beansprucht und die am nächsten von der Druckspitze befindliche Funktionskerbe 30 wird der Druckkraft derart ausgesetzt, dass die Funktionsstelle 32 sich sofort aufbläht. Weil der Batteriegehäuse 20 aus Plastik gefertigt ist und die Wand des Batteriegehäuses 20 die Flexibilität des plastischen Werkstoffs aufweist, wird die sofortig aufgeblähte Funktionsstelle 32 nicht sofort aufbrechen, sondern wird ein kleiner Riss 33 erst nach einer Zeitverzögerung gebildet, sobald die Wandstärke der Funktionsstelle 32 kleiner als null ist. Folglich tritt das Methangas in der Batterie aus dem gebildeten Riss 33 aus.
Es ist zu erwähnen, dass der Batteriegehäuse als Plastik gefertigt ist, welcher dabei hilft, dass die Batterie mit Plastikgehäuse im Vergleich zu der herkömmlichen Batterie mit Aluminiumgehäuse leichter die Fallprüfung bestehen kann.
Wie in 4 gezeigt, weist die erfindungsgemäße Funktionskerbe 30 einen V-förmigen Querschnitt auf, wobei der Maul 31 der Funktionskerbe 30 dem Inneren des Batteriegehäuses 20 zugewandt ist. Wird die Innenwand des Batteriegehäuses 20 mit einem außergewöhnlichen Gasdruck beaufschlagt, steht das Maul 31 der Funktionskerbe 30 ausgerechnet der Richtung des Gasdrucks entgegen, sie sammelt den Druck und hilft dabei, dass sie der Druckkraft ausgesetzt, wobei sich die Funktionsstelle 32 mit dünnster Wandstärke problemlos nach außen aufbläht. Schließlich bricht die Funktionsstelle 32 auf und bildet zum sicheren Druckfreisetzen einen Riss 33. In Hinblick darauf ist es sehr wichtig, dass das Maul 31 dem Inneren des Batteriegehäuses 20 zugewandt ist.
Darüber hinaus entspricht die Anordnungsposition der Funktionskerbe 30 die Ablassposition des Methangases 40 im Batteriegehäuse 20. Mittels der konstruktiven Gestaltung der Erfindung lässt sich die Position der Funktionskerbe 30 auf der vorgegebenen geeigneten Position anordnen, damit die Ablassposition des Methangases 40 einschätzbar ist, um die Verschmutzung und Prallbeschädigung der elektrischen Anlage zu vermeiden. Außerdem können die Funktionskerben 30 nicht nur wie in 7 gezeigt senkrecht zum Batteriegehäuse 20, sondern auch in der Praxis parallel zum Batteriegehäuse 20 angeordnet werden. Wie in 8 dargestellt, werden die senkrechte Anordnung der Funktionskerbe 30 und die parallele Anordnung der Funktionskerbe 30a gleichzeitig verwendet, die gleichen Effekt des sicheren Druckabbaus ebenfalls erzielen können.
Übrigens eignet sich die erfindungsgemäße Gestaltung der Sicherheitsvorrichtung neben dem Einsatz im Sicherheitsaufbau zum Druckabbau im kreisförmigen Batteriegehäuse ebenfalls für den sicheren Druckabbau des eckigen Batteriegehäuses. Wie aus 9 ersichtlich, wird die Anordnung der erfindungsgemäßen Funktionskerbe 30 und Funktionsstelle 32 im eckigen Batteriegehäuse 20a schematisch dargestellt. In 10 wird der Zustand des Druckabbaus durch Wandbruch schematisch dargestellt, nachdem die Funktionsstelle 32 des oben beschriebenen eckigen Batteriegehäuses 20a aufgebläht worden ist.
Wie vorstehend beschrieben wird hauptsächlich wenigstens eine Funktionsstelle gemäß der Erfindung in Innenwand des Batteriegehäuses gebildet. Wenn der innere Gasdruck im Batteriegehäuse außergewöhnlich ansteigt, kann sich die Funktionsstelle unterhalb der Funktionskerbe unter Einwirkung der Flexibilität des Materials des aus Kunststoff bestehenden Batteriegehäuses sofort problemlos nach außen aufblähen und sich allmählich verdünnen, um den Gasdruck durch den Wandbruch an der Funktionsstelle zu entspannen. Im anderen Wort beruht das Prinzip des sicheren Druckabbaus darauf, dass die kräftige Prallkraft des außergewöhnlichen Gasdruckanstiegs wegen der flexiblen Aufblähung der plastischen Batteriegehäusewand zuerst gedämpft und dann freigesetzt.

10: Batteriegehäuse aus Aluminium
11: Abtragkerbe
20, 20a: Batteriegehäuse
21: Aufnahmeraum
22: Verbindungsrand
23: Batteriedeckel
24: Schraube
30, 30a: Funktionskerbe
31: Maul
32: Funktionsstelle
33: Riss
40: Elektrokern
50: nichtwässrige Elektrolytlösung
60: Abdichtplatte 60
70: Methangas

Claims

Sicherheitsaufbau eines Batteriegehäuses, wobei das Batteriegehäuse (20) aus Kunststoff integral ausgebildet ist, wobei im Inneren des Akkugehäuses (20) ein eine Öffnung aufweisender Aufnahmeraum (21) vorhanden ist, und zwar derart, dass Elektrodenplatten und Elektrolytlösung durch die Öffnung hindurch ins Akkugehäuse (20) einsetzbar bzw. einfüllbar sind, wobei die die Öffnung mit einem Batteriedeckel (23) so abdichtbar ist, dass sich der Aufnahmeraum (21) des Batteriegehäuses (20) in einem verschlossenen Zustand befindet, dadurch gekennzeichnet, – dass wenigstens eine Funktionskerbe (30) in der Innenwand des Batteriegehäuses (20) im Aufnahmeraum (21) ausgebildet ist, wobei die Funktionskerbe (30) einen dem Inneren des Batteriegehäuses (20) zugewandten Kerbmaul (31) aufweist, und wobei sich eine Funktionsstelle (32) mit der dünnsten Wandstärke gegenüber der gesamten Wandfläche des Batteriegehäuses (20) zwischen dem Boden der Funktionskerbe (30) und der Außenwand des Batteriegehäuses (20) bildet, und wobei sich die Funktionsstelle (32) beim außergewöhnlichen Überschreiten des Gasdrucks im Batteriegehäuse (20) in radialer Richtung nach außen des Batteriegehäuses (20) erheblich aufbläht und allmählich zum Bilden eines Risses (33) verdünnt, um das Druckgas durch den Riss (33) austreten zu lassen.
Sicherheitsaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionskerbe (30) einen V-förmigen Querschnitt aufweist und deren Maul (31) dem Inneren des Batteriegehäuses (20) zugewandt ist.
Sicherheitsaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionskerben (30) senkrecht verlaufend angeordnet sind.
Sicherheitsaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionskerben (30) senkrecht und waagrecht verlaufend angeordnet sind.