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Die
Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle mit einem Gehäuse
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten
Art.
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Batterieeinzelzellen
sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Üblicherweise
werden Batterieeinzelzellen verwendet, um in einer elektrischen
Verschaltung, beispielsweise einer Reihenschaltung der Batterieeinzelzellen,
als Hochleistungsbatterie zu dienen. Typischer Einsatzzweck für derartige
Hochleistungsbatterien sind Antriebsstränge mit elektrischen
Antriebskomponenten. Solche werden beispielsweise in Hybridfahrzeugen,
Mild-Hybrid-Fahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen
eingesetzt. Beispielhaft soll bezüglich derartiger aus
Batterieeinzelzellen aufgebauter Batterien auf die nicht vorveröffentlichte
deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2008 010 837.5 verwiesen
werden. Diese Anmeldung beschreibt eine derartige Batterie und beschäftigt
sich insbesondere mit der Kühlung derselben. Da in Hochleistungsbatterien
große Mengen an Abwärme auftreten, spielt die
Kühlung einer solchen Batterie eine nicht unerhebliche
Rolle.
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Die
dort beschriebene Batterie aus einer Vielzahl von in diesem Fall
runden Batterieeinzelzellen zeigt einen Aufbau, wie er bei derartigen
Batterien sehr häufig üblich ist. Die Batterieeinzelzellen
sind mit becherförmigen Gehäusen und einem Deckel ausgebildet,
wobei im Bereich des Deckels die Anbindung an eine Wärmeleitplatte
vorgesehen ist. Die in den Batterieeinzelzellen entstehende Abwärme wird
durch das Gehäuse und die Bauteile in der Batterieeinzelzelle
in den Bereich des Gehäusedeckels geleitet und kann über
die aktive Kühlung der Wärmeleitplatte in die
Umgebung abgeführt werden. Außerdem ist um den
Aufbau der Batterieeinzelzellen ein Batteriegehäuse zu
erkennen, welches die Batterieeinzelzellen und eine Umgebung derselben
umschließt, um die Batterie als Ganzes als kompakten in dem
Batteriegehäuse integrierten Aufbau darzustellen.
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Die
Batterieeinzelzellen einer solchen Batterie weisen im Allgemeinen
eine Elektrodenanordnung auf, welche in einem Gehäuse platziert
wird. Die Elektrodenanordnung ist dann im Allgemeinen als Wickel
einzelner Elektrodenfolien ausgebildet, welche jeweils in abwechselnder
Polarität gestapelt und dann um einen Kern aufgewickelt
sind, wobei zwischen den einzelnen Elektrodenfolien unterschiedlicher
Polarität jeweils ein Separator angeordnet ist. Diese Elektrodenanordnungen
sind über elektrische Anschlusselemente mit den elektrischen
Polen der Batterieeinzelzelle verbunden. Die elektrischen Anschlüsse
der Batterieeinzelzelle werden dabei entweder isoliert durch das
zumeist metallische Gehäuse geführt oder sie werden
auf gegeneinander isolierte Teile des metallischen Gehäuses
gelegt. Derartige Batterieeinzelzellen mit beiden elektrischen Polen
in verschiedenen Bereichen des Gehäuses werden als bipolare
Batterieeinzelzellen bezeichnet. Die Alternative hierzu sind so
genannte polare bzw. monopolare Batterieeinzelzellen. Bei diesen
ist lediglich einer der Pole der Batterieeinzelzellen auf das Gehäuse
gelegt, der andere ist isoliert durch das Gehäuse hindurchgeführt.
Dieser Aufbau ist typisch für die verbreiteten runden Batterieeinzelzellen,
welche meist über ein becherförmiges Gehäuse
verfügen. Derartige Batterieeinzelzellen bilden die Grundlage
der Batterie, wie sie in der oben genannten Schrift beschrieben
ist.
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Es
ist für die Batterieeinzelzellen einer solchen Batterie üblich,
dass diese im Bereich ihres Gehäuses ein sogenanntes Berstelement
aufweisen. Ein solches Berstelement dient dazu, einen im Inneren
der Batterieeinzelzelle entstehenden Überdruck abzubauen,
sofern dieser sicherheitsrelevante Probleme auslösen könnte.
Ein solcher Überdruck kann beispielsweise aufgrund einer Überladung
oder eines Kurzschlusses in der Batterieeinzelzelle auftreten. Grundsätzlich
ist es dabei möglich, ein entsprechendes druckgesteuertes
Abblasventil als Berstelement einzusetzen. Ein solcher Aufbau ist
jedoch vergleichsweise teuer und benötigt wertvollen Bauraum, welcher
in der Batterieeinzelzelle dann nicht mehr andersweitig genutzt
werden kann.
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Ein
sehr verbreiteter Aufbau eines Berstelements ist daher die gezielte
Schwächung des Bodens des becherförmigen Gehäuseteils
der Batterieeinzelzelle, sodass dieser Boden bei einem im Inneren
der Batterieeinzelzelle entstehenden Überdruck aufreißt und
die Batterieeinzelzelle den Überdruck somit gegenüber
ihrer Umgebung, typischerweise dem Inneren des Batteriegehäuses,
abgeben kann. Die Batterieeinzelzelle selbst ist dann zerstört.
Jedoch können über ein derartiges Berstelement
als Sicherheitsmechanismus entsprechende Überdrücke
verhindert werden, welche beispielsweise zu einer Explosion der
mit den Batterieeinzelzellen ausgerüsteten Batterie führen
könnte.
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Ein
weiterer damit verbundener Sicherheitsmechanismus besteht darin,
dass ein elektrischer Anschluss der Elektrodenanordnung so ausgebildet ist,
dass dieser sich beim Ansprechen des Berstelements von dem Pol oder
den Elektroden trennt, sodass der Stromfluss innerhalb der betroffenen
Batterieeinzelzelle unterbrochen wird. Ein typischer Aufbau sieht
dabei vor, dass einer der Pole auf den becherförmigen Gehäuseteil
des Batteriegehäuses gelegt ist. In diesem Fall stützt
sich das Anschlusselement der Elektrodenanordnung im Bodenbereich
des becherförmigen Gehäuseteils ab. Da dieser
gleichzeitig als das Berstelement bzw. Berstscheibe ausgebildet
ist, wird beim Aufreißen der Berstscheibe im Idealfall
gleichzeitig der Kontakt zu dem Anschlusselement mit abgerissen.
In der Praxis ist es nun in vielen Fällen so, dass die
Kraft hierzu nicht ausreicht. Sobald die Berstscheibe im Bereich
ihrer Sollbruchstelle aufreißt, baut sich der Überdruck
durch die entstehende Öffnung entsprechend ab, sodass ausreichende
Kraft mehr vorhanden ist, um die Berstscheibe vollständig
von dem becherförmigen Gehäuseteil abzutrennen
und somit auch das entsprechende Anschlusselement abzureißen.
Damit bleibt sehr häufig die elektrische Kontaktierung
der Batterieeinzelzelle bestehen, was aus sicherheitstechnischen Überlegungen
heraus als gravierender Nachteil zu werten ist.
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Dieser
Aufbau, bei dem die Elektrodenanordnung sich im Bereich der Berstscheibe
abstützt, ist auch aus den nachfolgend erläuterten
Gesichtspunkten heraus äußerst problematisch.
Durch die Abstützung im Bereich des Bodens, und damit im
Bereich der Berstscheibe, wirken bei Vibrationen oder Stößen,
wie sie auf eine Batterie, beispielsweise beim Einsatz in einem
Fahrzeug, einwirken können, vergleichsweise große
mechanische Kräfte auf die Berstscheibe. Besonders kritisch
wird dies, wenn in der Batterieeinzelzelle bereits ein hoher aber
noch tolerierbarer Druck vorliegt, welcher sich zu der mechanischen
Kraftkomponente auf die Berstscheibe addiert. Untersuchungen haben
gezeigt, dass die Berstscheiben in dem becherförmigen Gehäuseteil
aufgrund mechanischer Stöße und/oder Vibrationen häufig
einreißen und der Elektrolyt entsprechend austreten kann.
Die Batterieeinzelzelle ist danach irreparabel beschädigt, ohne
dass dies aufgrund eines sicherheitskritischen Überdrucks
notwendig gewesen wäre.
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Es
ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Batterieeinzelzelle
mit einem Gehäuse zu schaffen, welche die oben genannten
Nachteile vermeidet und einen verbesserten Aufbau bietet.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst. Durch die Unteransprüche sind bevorzugte
Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Lösung
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle, bei welcher
das Berstelement über eine Sollbruchstelle im Bereich des
Gehäusedeckels realisiert ist, weist entsprechende Vorteile
auf. Dadurch, dass die Abstützung des Elektrodenwickels
und damit die Abstützung der größten
Masse innerhalb der Batterieeinzelzelle nicht im Bereich des Berstelements
erfolgt, ist ein Versagen des Berstelements aufgrund von Vibrationen
oder Stößen, wie sie insbesondere beim Einsatz
derartiger Batterien in Fahrzeugen auftreten können, annähernd
ausgeschlossen. Damit kann das Berstelement entsprechend empfindlicher ausgebildet
werden, sodass dieses bei einem sicherheitskritischen Überdruck
bereits früh anspricht. Die erfindungsgemäße
Batterieeinzelzelle erlaubt somit einen Aufbau, bei dem über
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Berstelements
ein entstehender Überdruck sicher und zuverlässig
abgebaut werden kann. Durch das definierte Lösen des becherförmigen
Gehäuseteils vom Gehäusedeckel wird außerdem
ein sicheres Trennen des einen Batteriepols erreicht, da typischerweise
der becherförmige Gehäuseteil selbst als einer
der Pole fungiert und bei der Abtrennung damit auch der Stromfluss
in diesem Pol entsprechend getrennt wird.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die meisten Batterieeinzelzellen über
das Deckelelement miteinander verbunden sind, während die
becherförmigen Gehäuseteile „frei” in
einem Batteriegehäuse hängen. Kommt es nun zu
einem definierten Abtrennen des becherförmigen Gehäuseteils
von dem Gehäusedeckel, so wirkt nicht nur der Überdruck
so, dass sich die beiden Teile voneinander trennen, sondern die
Gewichtskraft des becherförmigen Gehäuseteils
sowie des in diesem becherförmigen Gehäuseteil
typischerweise angeordneten Elektrodenwickels wirken unterstützend
in die selbe Richtung, sodass eine sichere Trennung der beiden Teilelemente gewährleistet
ist.
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In
einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Batterieeinzelzelle ist es dabei vorgesehen, dass die Sollbruchstelle
durch eine gezielt geschwächt ausgeführte Schweißnaht
zur Befestigung des Gehäusedeckels an dem becherförmigen
Gehäuseteil ausgebildet ist. Durch dieses Einsetzen einer
entsprechend dimensionierten Schweißnaht als Sollbruchstelle
entsteht der besondere Vorteil, dass ohne einen zusätzlichen
Fertigungsschritt, wie er beispielsweise zum Einbringen einer Sollbruchstelle
im Bodenbereich des becherförmigen Gehäuseteils
notwendig ist, der erfindungsgemäße Aufbau realisiert
werden kann. Damit kann die Batterieeinzelzelle entsprechend kostengünstig
hergestellt werden.
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Gemäß einer
besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung kann es
ferner vorgesehen sein, dass alternativ oder ergänzend
die Sollbruchstelle durch eine Kerbe in dem Gehäusedeckel und/oder
dem becherförmigen Gehäuseteil ausgebildet/ergänzt
ist. Alternativ oder unterstützend zu der oben dargestellten
Ausführungsform mit der Schweißnaht als Sollbruchstelle
kann über eine solche Kerbe eine weitere Sollbruchstelle
oder die gezielte Schwächung eines entsprechenden Bereichs der
Schweißnaht vorgenommen werden, sodass die Batterieeinzelzelle
bei definiertem Überdruck sicher öffnet.
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In
einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung weist die Batterieeinzelzelle eine Elektrodenanordnung
in dem Gehäuse auf, welche als Elektrodenwickel ausgebildet
ist, wobei dieser Elektrodenwickel um einen Kern aufgewickelt in
dem becherförmigen Gehäuseteil positioniert ist.
Erfindungsgemäß ist der Kern dabei als, zumindest
in Richtung der Achse, um die der Elektrodenwickel aufgewickelt
ist, geschlossenes Element ausgebildet. Da der Elektrodenwickel
typischerweise relativ dicht an der Wandung des becherförmigen
Gehäuseteils anliegt, kann über das Aufwickeln
auf einen geschlossenen Kern erreicht werden, dass sich unterhalb
des Elektrodenwickels in dem becherförmigen Gehäuseteil
bei der Entstehung eines Überdrucks ein entsprechendes
Druckpolster aufbaut. Da dieser nicht unmittelbar durch die im Bereich
der Sollbruchstelle am Gehäusedeckel entstehenden Öffnungen abgeblasen
werden kann, wird dieser Überdruck zusätzlich
dafür sorgen, dass sich der becherförmige Gehäuseteil
nach dem Abtrennen nach unten schiebt, sodass eine noch sicherere
Trennung der elektrischen Verbindung über das becherförmige
Gehäuseteil erreicht werden kann.
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In
einer besonders günstigen Ausgestaltung hiervon, ist es
vorgesehen, dass der Kern als rohrförmiges Bauteil ausgebildet
ist, welches an seinem dem Gehäusedeckel zugewandten Ende
verschlossen ist. Im Gegensatz zu einem massiven Kern hat dies den
Vorteil, dass der Aufbau entsprechend leichter ist. Außerdem
kann das Volumen im Kern zusätzlich zu dem Volumen unterhalb
des Elektrodenwickels entsprechend genutzt werden, um durch den darin
erfolgenden Druckaufbau den becherförmigen Gehäuseteil
von dem Deckel wegzubewegen, wenn die Sollbruchstelle entsprechend
geborsten ist.
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Der
bevorzugte Aufbau der Batterieeinzelzelle gemäß der
Erfindung kann dabei in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt
sein. Da die erfindungsgemäßen elastischen Stützelemente
letztlich einer höheren Sicherheit der Batterieeinzelzelle
dienen, spielt dies bei der hohen Energiedichte in Lithium-Ionen-Batterien
eine besonders wichtige Rolle.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele
deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher
erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Batterieeinzelzelle gemäß dem
Stand der Technik;
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2 eine
Schnittdarstellung einer Batterieeinzelzelle in einer ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
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3 einen
Ausschnitt der Schnittdarstellung der 2 mit einer
möglichen Ausgestaltung einer Sollbruchstelle gemäß der
Erfindung;
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4 einen
Ausschnitt der Schnittdarstellung der 2 mit einer
alternativen möglichen Ausgestaltung einer Sollbruchstelle
gemäß der Erfindung;
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5 die
Schnittdarstellung der 2 in einem geborstenen Zustand;
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6 eine
Schnittdarstellung einer Batterieeinzelzelle in einer zweiten Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
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7 die
Schnittdarstellung der 6 in einem geborstenen Zustand;
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8 eine
Schnittdarstellung einer Batterieeinzelzelle in einer dritten Ausführungsform
gemäß der Erfindung; und
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9 die
Schnittdarstellung der 8 in einem geborstenen Zustand.
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In 1 ist
eine Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik
zu erkennen. Diese Ausgestaltung einer Batterieeinzelzelle 1 weist
ein Gehäuse 2 mit einem becherförmigen
Gehäuseteil 3 und einem Gehäusedeckel 4 auf.
Der becherförmige Gehäuseteil 3 kann
bevorzugt rund ausgebildet sein, es sich jedoch analog auch alle
möglichen eckigen Querschnitte denkbar. Im Inneren des
Gehäuses 2 ist eine Elektrodenanordnung 5 zu
erkennen. Die Elektrodenanordnung 5 ist als Elektrodenwickel
ausgeführt, welcher um einen Kern 6 gewickelt
ist. Der Elektrodenwickel 5 besteht dabei aus Anodenfolien
und Kathodenfolien, welche jeweils abwechselnd mit jeweils einem dazwischen
liegenden Separator geschichtet und um den Kern 6 aufgewickelt
sind. Der Elektrodenwickel 5 wird an seiner zylindrischen
Außenfläche mit einer elektrischen Isolation 5a versehen,
z. B. mit einer isolierenden Folie umwickelt, um zu verhindern,
dass Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität mit den becherförmigen
Gehäuseteil 3 mit in elektrische Kontakt zu kommen.
Bei der hier dargestellten bevorzugten Zellchemie einer Lithium-Ionen-Zelle
sind die Elektrodenfolien aus Aluminium und Kupfer bzw. entsprechenden
Legierungen hiervon ausgebildet. In das becherförmige Gehäuseteil 3 wird
dann ein entsprechender Elektrolyt eingefüllt, welcher
Lithium-Ionen enthält.
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Der
becherförmige Gehäuseteil 3 der Batterieeinzelzelle 1 wird
von dem Gehäusedeckel 4 entsprechend verschlossen,
wobei ein erster elektrischer Pol 7 mit diesem Gehäusedeckel 4 fest
verbunden ist. Der erste elektrische Pol 7 ist über
den Gehäusedeckel 4 mit dem becherförmigen
Gehäuseteil 3
elektrisch kontaktiert. Das becherförmige
Gehäuseteil 3 ist dann in seinem Bodenbereich über
ein elektrisches Anschlusselement 8 mit den Elektroden der
einen Polarität in dem Elektrodenwickel 5 verbunden.
Die Elektroden der anderen Polarität in dem Elektrodenwickel 5 sind über
ein weiteres Anschlusselement 9 mit einem zweiten Pol 10 verbunden,
welcher mittels elektrisch isolierenden Elementen 11 durch
den Gehäusedeckel 4 hindurchgeführt ist.
Das Anschlusselement 9 ist dabei schlangenförmig
gefaltet, um einen sicheren elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten
Pol 10 der Batterieeinzelzelle 1 und den entsprechenden
Elektroden der Elektrodenanordnung 5 zu gewährleisten,
auch wenn Teile der Batterieeinzelzelle 1 sich aufgrund
unterschiedlicher Wärmeausdehnungen unterschiedlich stark
ausdehnen und damit gegeneinander bewegen.
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Außerdem
ist zu erkennen, dass im Bodenbereich des Gehäuseteil 3 eine
Sollbruchstelle 12 mit einer sehr geringen Materialdicke
des Gehäuseteils 3 ausgebildet ist. Der innerhalb
dieser in der Draufsicht ringförmigen Sollbruchstelle 12 liegende
Bereich des Gehäusebodens ist damit als Berstelement, in
diesem Fall als Berstscheibe 13 ausgebildet. Kommt es aufgrund
einer Fehlfunktion in der Batterieeinzelzelle 1, z. B.
einem Kurzschluss oder einen Überladen, im Inneren des
Gehäuses 2 zu einem ungeplant hohen Überdruck,
so wird das Gehäuseteil 3 im Bereich der Sollbruchstellen 12 aufreißen
und die Berstscheibe 13 gibt eine entsprechende Öffnung
in dem Gehäuse 2 frei, durch welche unter dem Überdruck
stehende Gase sowie Elektrolyt aus dem Gehäuse 2 der
Batterieeinzelzelle 1 in deren Umgebung, typischerweise in
das Innere eines Batteriegehäuses, welches jeweils mehrere
der Batterieeinzelzellen 1 umgibt, austreten können.
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Beim
hier dargestellten Aufbau der Batterieeinzelzelle 1 gemäß dem
Stand der Technik ist nun das Anschlusselement 8 der Elektrodenanordnung 5 und
damit auch diese selbst auf genau dieser Berstscheibe 13 gegenüber
dem Gehäuse 2 abgestützt. Diese Abstützung
des Elektrodenwickels 5 über das Anschlusselement 8 auf
der Berstscheibe 13 soll im regulären Betrieb
den Stromfluss von dem Elektrodenwickel 5 bzw. seinem einen
Pol über das becherförmige Gehäuseteil 3 und
den Gehäusedeckel 4 in den ersten elektrischen
Pol 7 sicherstellen. Kommt es aufgrund eines Überdrucks
zu einem Aufreißen der Sollbruchstelle 12 an der
Berstscheibe 13, so soll außerdem eine Polabtrennung
erreicht werden, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Pol 7 und
dem Elektrodenwickel 5 mehr besteht. Leider funktioniert
dies in der Praxis nur unzureichend, da bereits eine kleine Öffnung
im Bereich der Sollbruchstelle 12 für einen entsprechenden
Druckabbau sorgt, und so kein vollständiges Abreißen
der Berstscheibe 13 sichergestellt ist. Nur durch eine
solche wäre jedoch eine vollkommene elektrische Trennung zwischen
dem Anschlusselement 8 und dem Elektrodenwickel 5 bzw.
der Berstscheibe 13 und dem becherförmigen Gehäuseteil 3 überhaupt
zu erreichen.
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Außerdem
ist eine Abstützung der Masse des Elektrodenwickels 5 über
das Anschlusselement 8 auf der Berstscheibe 13 auch
deshalb problematisch, weil die Sollbruchstelle 12 im Falle
von Vibrationen oder Stößen, wie sie insbesondere
beim Einsatz derartiger Batterieeinzelzellen 1 in Fahrzeugen sehr
häufig auftreten werden, die gesamte Masse des Elektrodenwickels 5 entsprechend
zu tragen hat. Besteht zum Zeitpunkt eines derartigen Stoßes
außerdem schon ein gewisser Überdruck im Inneren des
Gehäuses 2, so addiert sich eine durch den Stoß ausgelöste
Kraft zu dieser Druckkraft eines bereits erhöhten, aber
noch tolerierbaren Überdrucks. Damit entsteht eine sehr
hohe Belastung der Sollbruchstelle 12, welche zu einem
Aufreißen derselben führen kann, ohne dass dies
aus Sicherheitsgründen notwendig gewesen wäre.
Dennoch ist die Batterieeinzelzelle 1 dann irrreparabel
geschädigt.
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In 2 ist
nun ein Aufbau zu erkennen, bei dem diese Problematik dadurch gelöst
wird, dass die Sollbruchstelle 12 in den Bereich des Gehäusedeckels 4 verlagert
ist. Somit dient der Gehäusedeckel 4 zusammen
mit der Sollbruchstelle 12 als Berstelement anstelle der
Berstscheibe 13 mit ihrer Sollbruchstelle, wie im oben
dargestellten Stand der Technik. Ansonsten entspricht der in 2 dargestellte
Aufbau dem soeben beschriebenen Aufbau der 1. Die Sollbruchstelle 12 ist
in der hier dargestellten Ausführungsform so nicht unmittelbar
zu erkennen, da diese durch eine entsprechende Ausgestaltung von
Schweißnähten ausgebildet ist. Der Aufbau ist
jedoch in den beiden möglichen Varianten von Schweißnähten 14 zu
erkennen, welche in den vergrößerten Darstellungen
der 3 und 4 nochmals deutlicher zu erkennen
sind. Die Sollbruchstelle 12 kann durch die Schweißnaht 14 gemäß der
Darstellung in 3 am Stoß des in das
becherförmige Gehäuseteil 3 eingepressten
Gehäusedeckels 4 ausgebildet sein. Dabei wird
der Gehäusedeckel 4 in dem becherförmigen
Gehäuseteil 3 durch Verschweißen gesichert.
Bei diesem Verschweißen wird eine entsprechende Schweißnaht,
beispielsweise durch Laserschweißen, im Bereich des Stoßes
der beiden Bauteile 3, 4 gesetzt. Diese Schweißnaht 14,
welche den Gehäusedeckel 4 in dem becherförmigen
Gehäuseteil 3 hält, kann dabei gezielt
so geschwächt ausgebildet werden, dass diese bei einem
bestimmten Überdruck im Inneren des Gehäuses 2 gezielt versagt
und damit den Gehäusedeckel 4 als Berstelement
von dem becherförmigen Gehäuseteil 3 abreißen
lässt. Ferner kann die Schweißnaht 14 so
gestaltet sein, dass von ihr eine Kerbwirkung ausgeht.
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In
der Darstellung der 4 ist eine alternative Ausführungsform
des Aufbaus beschrieben. Dabei ist die Schweißnaht 14,
welche gleichzeitig die Sollbruchstelle 12 bildet, nicht
wie oben dargestellt im Stoß der beiden Bauteile 3, 4 angeordnet,
sondern als Überlapp-Naht in einem Bereich, in dem sich
der in das becherförmige Gehäuseteil 3 eingepresste Gehäusedeckel 4 mit
der Wandung des becherförmigen Gehäuseteils 3 überlappt.
Auch hier kann durch eine, z. B. durch Laserschweißen,
gesetzte Schweißnaht 14, eine Verbindung des Gehäusedeckels 4 mit dem
Gehäuseteil 3 einerseits und eine gezielte Schwächung
der Schweißnaht 14 als Sollbruchstelle 12 erreicht
werden.
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Kommt
es nun zu einem Überdruck im Bereich des Gehäuses
2 der
Batterieeinzelzelle
1, so wird sich das Gehäuseteil
3 entlang
dieser Sollbruchstelle
12, hier also entlang der Schweißnaht
14,
entsprechend auftrennen, sodass sich das becherförmige
Gehäuseteil
3 und der Gehäusedeckel
4 voneinander
weg bewegen und damit eine entsprechende Öffnung freigeben,
durch die unter Überdruck stehende Gase und/oder Flüssigkeiten
aus dem Bereich des Gehäuses
2 austreten können.
Eine solche Darstellung der Batterieeinzelzelle
1 gemäß
2 in
geborstenem Zustand ist in
5 zu erkennen.
Durch die beiden Pfeile sind die entweichenden Gase, welche auch
als Venting-Gase bezeichnet werden, entsprechend angedeutet. Da
beim üblicherweise verwendeten Aufbau einer Batterie aus
den Batterieeinzelzellen
1 eine Anbindung der Batterieeinzelzellen
1 über
den Gehäusedeckel
4 erfolgt, wie es beispielsweise
in der eingangs genannten
DE
10 2008 010 837.5 beschrieben ist, wirkt zusätzlich
zum Überdruck, welcher den Gehäusedeckel
4 und
den becherförmigen Gehäuseteil
3 auseinanderdrückt,
die Schwerkraft des becherförmigen Gehäuseteils
3 zusammen
mit der Schwerkraft des Elektrodenwickels
5 sowie des Kerns
6,
um welchen dieser aufgewickelt ist, unterstützend auf die
Trennung der beiden Bauteile
3,
4.
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In
der Darstellung der 6 ist nun eine weitere Ausführungsform
der Sollbruchstelle 12 zu erkennen. Hier ist in dem becherförmigen
Gehäuseteil 3 im Bereich des Gehäusedeckels 4 eine
Kerbe 15 eingebracht. Eine solche Kerbe 15 kann
ergänzend oder zusätzlich zu einer gezielt schwach
ausgebildeten Schweißnaht 14 vorgesehen sein.
Auch eine solche Kerbe 15 erlaubt ein sicheres und definiertes Trennen
der beiden Bauteile 3, 4 voneinander, wenn im
Inneren des Gehäuses 2 ein kritischer Überdruck auftritt.
In der Darstellung der 7 ist auch hier wiederum der
geborstene Zustand der Batterieeinzelzelle 1 gemäß dieser
Ausführungsform dargestellt. Auch hier ist zu erkennen,
dass eine entsprechende Trennung innerhalb des becherförmigen
Gehäuseteils 3 im Bereich des Gehäusedeckels 4 auftritt,
sodass nicht nur eine entsprechende Öffnung zum Abblasen der
Gase und/oder Flüssigkeiten, wie durch die Pfeile angedeutet,
entsteht, sondern dass auch eine entsprechende Trennung des über
das becherförmige Gehäuseteil 3 geführten
Pols verwirklicht ist.
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In
der Darstellung der 8 ist nun eine weitere Ausführungsform
der Batterieeinzelzelle 1 dargestellt. Dabei ist als Sollbruchstelle 12 wiederum
der Bereich der Schweißnaht 14, beispielsweise
im Stoß des Gehäusedeckels 4 und des
becherförmigen Gehäuseteils 3, ausgebildet.
Daneben ist das elektrische Anschlusselement 9 nicht mehr schlangenförmig
gefaltet, sondern starr ausgeführt. Dies ist für
die Batterieeinzelzelle 1 in dieser Ausgestaltung zwar von
Vorteil, jedoch nicht zwingend notwendig. Der entscheidende Unterschied
zu den vorherigen Ausführungsformen liegt in der Ausgestaltung
des Kerns 6, um welchen der Elektrodenwickel 5 entsprechend aufgewickelt
ist. In der Darstellung der 8 ist zu erkennen,
dass der Kern 6 wiederum rohrförmig ausgebildet
ist, wobei er jedoch an seinem dem Gehäusedeckel 4 zugewandten
Ende 16 verschlossen ist. Kommt es nun in der Batterieeinzelzelle 1 zu
einem entsprechenden Überdruck in dem Gehäuse 2,
so wird sich dieser auch in dem Raum unterhalb des Elektrodenwickels 5 und
in dem nach oben verschlossenen Kern 6 entsprechend ausbilden.
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Die
Darstellung in 9 zeigt den Aufbau der 8 in
geborstenem Zustand. Hierbei ist durch die Doppelpfeile dargestellt,
wie der sich in dem Druckraum unterhalb des Elektrodenwickels 5 und unterhalb
bzw. innerhalb des Kerns 6 ausbildende Druck eine Art Kolbenbewegung
des becherförmigen Gehäuseteils 3 verursacht.
Damit wird durch eine sehr einfache Maßnahme im Aufbau,
nämlich das Verschließen des Kerns 6 in
Richtung des Gehäusedeckels 4, eine deutliche
Unterstützung der Bewegung des becherförmigen
Gehäuseteils 3 weg von dem Gehäusedeckel 4 erreicht.
Da diese Bewegung gleichzeitig der Trennung des durch den becherförmigen
Gehäuseteil 3 verlaufenden elektrischen Pols dient,
kann somit die Poltrennung im Falle des Überdrucks in der
Batterieeinzelzelle 1 nochmals zuverlässiger ausgestaltet
werden. Dies funktioniert besonders gut, wenn sich der Elektrodenwickel 5 an dem
Gehäusedeckel 4 entsprechend abstützten kann,
daher die hierfür gewählte Ausgestaltung mit dem
starren Anschlusselement 9. Grundsätzlich wäre
dieser Effekt jedoch auch bei einem nicht starr ausgebildeten Anschlusselement 9 zu
erzielen.
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Der
Aufbau der 8 und 9 ist dabei
mit einem starren Anschlusselement 8 im Bereich des Bodens
des Gehäuseteils 3 beschrieben, er könnte ebenso
mit einem flexiblen, beispielsweise schlangenförmig gefalteten
Anschlusselement 8 ausgeführt sein. Außerdem
kann selbstverständlich die entsprechende Ausgestaltung
der Sollbruchstelle 12 über die Kerbe 15 ergänzend
oder alternativ zu dem hier beschriebenen Aufbau mit der Sollbruchstelle 12 im Bereich
der Schweißnaht 14 eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008010837 [0002, 0036]
